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汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势,加上5G商用在即,这些将带动第三代半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)的发展。根据拓墣产业研究院估计,2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元,而GaN基板产值仅约3百万美元。

第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN,其中SiC的发展更早一些。

SiC功率器件与电动车


碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)和击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性质。


SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势,弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷,正逐渐成为功率半导体的主流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。也适合于高压应用,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。另外,SiC还用于制造LED。

未来5到10年内,SiC功率器件市场增长机会主要在汽车领域,特别是EV、混合动力车、燃料电池车等电动车应用市场,它的应用率取决于采用SiC的位置,例如主逆变器、车载充电器(OBC)或DC/DC转换器。

SiC功率器件产业动态

如基于SiC的功率半导体用于电动汽车的车载充电装置,而这项技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。牵引逆变器为电动机提供牵引力,以推动车辆前进。

对于这一应用,特斯拉在一些车型中使用了SiC功率器件,而其他电动汽车制造商则在评估这项技术。Yole Développement的分析师Hong Lin表示:“当人们讨论SiC功率器件时,汽车市场无疑是焦点。丰田和特斯拉等先驱企业的SiC活动给市场带来了许多刺激和喧嚣。SiC MOSFET在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战,比如成本、长期可靠性和模块设计。”

国内的比亚迪在日前同样宣布了他们在SiC方面的布局。目前,公司已投入巨资布局第三代半导体材料SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

他们已经成功研发了SiC MOSFET(汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等),有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代,将整车性能在现有基础上再提升10%。

据Yole称,在汽车和其他市场的推动下,2017年SiC功率器件业务达到3.02亿美元,较2016年的2.48亿美元增长22%。Lin表示:“由于采用了SiC MOSFET模块的特斯拉Model 3产能增长,在汽车行业的推动下,我们预计2018年会实现飞跃。”

据Yole称,到2023年,SiC功率半导体市场预计将达到15亿美元。SiC器件的供应商包括Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工厂商。

英飞凌将所有SiC制造产线转换6英寸SiC晶圆。同时与科锐达成碳化硅(SiC)晶圆的策略性长期供应协议,英飞凌借此得以扩大SiC产品之供应,以因应光伏变频器及电动车等高成长市场需求;而英飞凌已将所有SiC产品转换至6英寸制造产线生产,因此与科锐的协议仅涵盖此类晶圆尺寸。

X-FAB计划将其位于美国德州拉伯克市的6英寸SiC工艺产能提高一倍。X-FAB被认为是第一家在6英寸晶圆上提供SiC工艺的晶圆代工厂,为此,该公司购买了第二台加热离子注入机,将于今年底交付,并于明年第一季度开始生产(以及时满足近期的需求预期)。此次扩产也表明了其对SiC技术和代工业务模式的承诺。

罗姆已经开发出采用沟槽结构的第3代SiC MOSFET,与第2代平面结构相比,该器件实现了更低电阻的导通电阻,降低了所有设备的功率损失。针对产品紧缺的问题,据悉,罗姆正在建新工厂和产线,预计2025的产能将是2017年的16倍。

SiC功率器件发展面临的挑战

在技术方面,SiC具有高效率、高功率密度的优点,但成本较高。相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺有特殊要求等问题。

从产业格局看,目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,占有全球SiC产量的70%~80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

我国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚,但我国多家半导体厂商也在积极布局SiC和GaN器件,华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。

对比欧日国家,中国对于SiC材料和器件方面的发展,要集中优势资源扶持龙头企业和研究机构,形成规模效应。

因为第三代半导体涉及多个学科、跨领域的技术和应用,很多基础性研发不是企业能够解决的,要多科研院所合作,攻克技术难题。还要借助行业协会的力量,先行规划产业发展线路,在标准、检测、认证等方面内容。

文稿来源:lifree



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