SiC的突破要解决技术和原材料两大难题
作者：王伟
发布日期：2019-07-22
随着硅材料的负载量逐渐接近极限，以硅为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。人们遂将目光投向以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽带隙半导体材料。其中，SiC作为目前发展最成熟的宽禁带半导体材料最受重视，被业内公认为最具发展前景的“一种未来的材料”，预计在今后5~10年将会取得快速发展并有显著成果出现。目前世界各国都在SiC领域投入重资，意图能够在硅基半导体以外保持自己国家在IC产业的领先地位。
作为SiC功率元器件的领先企业，罗姆日前在北京召开媒体会，罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健先生详细介绍了SiC的市场动向和罗姆的产品战略。
罗姆半导体（北京）有限公司技术中心 所长 水原德健
SiC功率元器件的性能优势
SiC是以1：1的比例，用硅和碳生成的化合物半导体材料。在生产流程中，专门的SiC晶片在工厂中开发和加工，从而形成基于SiC的功率半导体。基于SiC的功率半导体和其竞争技术是专用晶体管，可在高电压下切换电流。
水原德健先生针对半导体功率元器件中最主要的三种材料--Si、SiC和GaN，从物理特性上做了一一对比。与传统的硅基功率半导体器件相比，SiC功率器件击穿场强度更强，耐电压更高，是同等硅器件耐压的10倍，更适合应用于高压器件；其次，SiC的熔点更高，可以耐高温，大约是硅的3倍以上；第三，SiC的电子饱和速度会更快，功率器件的频率可以做的更高；第四，SiC的热传导性很高，易于冷却；最后，SiC的的禁带宽度会更宽一些，这样可以使得工作温度做的更好。
SiC优异的材料特性
由于SiC具有上述物理特性，基于SiC的功率元器件相比硅基功率元器件，其性能上就更具优势，例如更低的阻抗、更高的频率、更好地散热效果。反映到芯片上，最大的好处就是可以把芯片做小，同时保持很好的高频特性、高温特性和更高效率。因此基于SiC的功率元器件在汽车或者工控行业用的比较多。以5000W DC/DC举例， IGBT产品的重量要达到将近7kg左右，体积大约是8升甚至更大。如果使用SiC功率元器件，重量可以降到原来的1/8左右。而且由于芯片体积减小了，功耗更低，散热板也变小了。同时频率的提高了，也会带动整个周边器件（包括变压器、线圈）都可以做的很小。从而可以采用水冷降温或用一些很小的散热板，进一步减小芯片面积。因此使用SiC功率元器件，不仅可以令系统成本下降，性能显著提高，还可以将系统尺寸大幅缩减。
功率半导体器件的使用场景
水原德健先生指出，目前Si产品在市场应用最多的还是在光伏、大数据和服务器方面，这是SiC产品比较成熟的应用场景。接下来用的比较多的将会是新能源汽车、各种充电站和电源，还有一些家电产品上，但家电产品目前仅限于日本。另外当前SiC产品还是以1700V和1200V为主，所以在风能上用的比较少一些，未来如果能突破3300V，风能也将是很大的一个市场。随着电压进一步提高到3600V甚至5000V以上，SiC在铁路上也将迎来广阔的应用前景。
罗姆的SiC发展策略
罗姆从2000年通过产学合作方式开始了SiC产品的研发；2009年收购了德国一家主要做碳化硅柱、碳化硅衬底的晶圆厂SiCrystal；于2010年实现了SiC肖特基的量产；2010年底同时量产了SiC的MOS，成为全球首家量产SiC MOS的企业；2012年罗姆量产了SiC的模块，同样是全球首家量产的企业；2015年量产了沟槽型SiC MOS。现在罗姆的晶圆可以做到六英寸。
罗姆SiC芯片产品阵容
罗姆的SiC产品分成三类，SiC的肖特基、SiC的MOS和SiC的功率模块。未来，SiC肖特基的发展趋势是晶圆做得越来越大，由原来的4英寸转化为现在的6英寸，还有就是封装做得越来越多元化。SiC MOS产品除了晶圆尺寸变大之外，还会将电流和电压做大，同样封装也会变得越来越丰富，便于工控产品上更方便地使用。第二个就是车规品更多一些，第三个就是说把封装做的越来越全一些，越来越丰富一些。
除了具体的产品以外，罗姆的生产体制也非常有特色，遵循IDM生产体制。在SiC制作工艺上，首先是碳化硅柱，然后经切片到晶圆，晶圆切出来之后，还要在晶圆上进行各种各样的光耦合，做成芯片，然后进行封装。在这整个的过程中，从碳化硅原材料开始，一直到最后的封装组装，罗姆全部都是自行完成的，因此可以给客户提供长期稳定，高品质的供货。
水原德健先生认为，SiC市场的竞争点有两个，一是技术二是原材料，只有解决了这两个问题，才有可能在未来的拼杀中有生存的希望。这也是为什么罗姆在2009年收购SiCrystal的原因所在。同时，水原德健先生还透露，在未来，罗姆在SiC产品上会阶段性的继续投资持续投资，到2025年预计累计投资850亿日元。SiC的生产能力到2021年会达到2017年的6倍，2025年时将会达到2017年的16倍。