SiC將達(dá)23億美元規(guī)模，技術(shù)精進(jìn)是主攻方向

      SiC(碳化硅)作為第三代半導(dǎo)體，以耐高壓、高溫和高頻，在高性能功率半導(dǎo)體上顯出優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用中，在光伏和服務(wù)器市場(chǎng)最大，正處于發(fā)展中的市場(chǎng)是xEV（電動(dòng)與混動(dòng)汽車）。隨著SiC產(chǎn)品特性越做越好，在需要更高電壓的鐵路和風(fēng)電上將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

      不過，制約SiC發(fā)展的，關(guān)鍵是價(jià)格，主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是襯底，一個(gè)是晶圓尺寸所限。例如晶圓尺寸越大，成本也會(huì)相應(yīng)地下降，羅姆（ROHM）等公司已經(jīng)有6英寸的晶圓片。在技術(shù)方面，眾廠商競(jìng)爭(zhēng)的有兩個(gè)焦點(diǎn)：技術(shù)和原材料。

      1 應(yīng)用領(lǐng)域

      現(xiàn)有的市場(chǎng)中，光伏和服務(wù)器最大。處于發(fā)展中的市場(chǎng)是xEV。隨著SiC產(chǎn)品特性越做越好，在鐵路和風(fēng)電上會(huì)得到更多的應(yīng)用。

      在xEV方面，現(xiàn)在OBC（車載充電器）和DC/DC上應(yīng)用得比較多，今后主驅(qū)上也會(huì)有很多應(yīng)用(如下圖)。OBC方面，大約兩三年前已開始大量應(yīng)用SiC肖特基勢(shì)壘二極管（SBD），現(xiàn)在SiC肖特基、SiC MOSFET已經(jīng)用在很成熟的市場(chǎng)。DC/DC方面，市場(chǎng)上也已用得很多了。主驅(qū)逆變器方面，現(xiàn)在仍以Si IGBT和Si FRD(整流二極管)為主，但是客戶都在研發(fā)SiC產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2021年、2022年之后，SiC的MOS會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)前主驅(qū)應(yīng)用上最大的瓶頸不是設(shè)計(jì)，而是在價(jià)格，例如Si IGBT模塊如果改成SiC模塊，價(jià)格提升5~10倍左右。另外，汽車的快速充電和無線充電方面，大家現(xiàn)在也在研發(fā)SiC方案，預(yù)計(jì)今后有很大的應(yīng)用前景。      

      未來，風(fēng)電和鐵路將是很大的市場(chǎng)。因?yàn)楝F(xiàn)在SiC還是以1.7 kV和1.2 kV為主，而風(fēng)能需要3.3 kV，鐵路需要3.3 kV、3.6 kV甚至5 kV以上，因此隨著SiC的電壓做得越來越高，風(fēng)電和鐵路將是下一個(gè)藍(lán)海。

      對(duì)SiC市場(chǎng)的預(yù)測(cè)有多種版本，甚至同一家市場(chǎng)調(diào)查公司也有多種版本。羅姆基于IHS的調(diào)查，保守地預(yù)測(cè)2025年整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約23億美元（如下圖）。

      2 SiC的新技術(shù)進(jìn)展

      SiC的功率元器件產(chǎn)品主要有三類：SiC肖特基（二極管）、SiC MOSFET（三極管）和模塊產(chǎn)品。

      2.1  總體趨勢(shì)

      ?SiC肖特基。欲取代400 V~3.3 kV的Si PND（快恢復(fù)二極管）和FRD（整流二極管）。

      第一個(gè)趨勢(shì)是把晶圓做得越來越大，由原來的4英寸轉(zhuǎn)為現(xiàn)在的6英寸，在將來有可能向8英寸或更大尺寸去進(jìn)展。其次是車規(guī)品。再有是把封裝做得越來越多元化，例如做更多的貼片封裝，把它的產(chǎn)品線做得更多一些。

      ?SiC MOSFET。欲取代600V~3.3 kV的Si MOSFET和IGBT。

      第一個(gè)趨勢(shì)也是晶圓越做越大。其次把電流和電壓做大做高。再有也是把封裝做得豐富一些，例如現(xiàn)在市場(chǎng)上比較多的像TO-247是3引腳，接下來羅姆會(huì)推出TO-247的4引腳產(chǎn)品，這樣在工控產(chǎn)品上可以更方便地去使用。第四是車規(guī)品更多一些。

      2.2  制造工藝的改進(jìn)

      SiC領(lǐng)域也有多個(gè)玩家，例如羅姆、英飛凌、Cree、ST等。羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司設(shè)計(jì)中心所長(zhǎng)水原德建介紹了SiC及羅姆產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)展。

      ?SiC肖特基工藝的改進(jìn)。現(xiàn)在市面上的SiC肖特基產(chǎn)品有兩種構(gòu)造，一種是純肖特基構(gòu)造。羅姆的第一代和第二代產(chǎn)品采用了純肖特基的構(gòu)造。純肖特基構(gòu)造的最大好處在哪里？因?yàn)樾ぬ鼗袃蓚€(gè)特性，一個(gè)是VF，即正向耐壓；另一個(gè)特性是瞬間的最大電流。所以如果用肖特基構(gòu)造來做，雖然VF可以做得很低，但是瞬間電流做得不好。

      為此，羅姆的第3代產(chǎn)品采用了JBS構(gòu)造。JBS構(gòu)造的最大好處，雖然VF會(huì)相應(yīng)的變差，但是羅姆用自己的能力在保證原有的低VF的情況下，把瞬間電流做得更大。由于JBS構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上的產(chǎn)品基本都是JBS構(gòu)造。

      ? SiC MOSFET

      現(xiàn)在也有兩種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，第一種叫平面型構(gòu)造MOS，即DMOS，還有一種MOS是溝槽型的構(gòu)造，即UMOS（U的意思是溝槽像U型）。兩種MOS的最大區(qū)別是：平面型的耐壓可以做得很好，但是芯片尺寸要做得很大。但是溝槽式的可以做小，即可以把晶圓尺寸做小一些，價(jià)格更低一些，同樣的芯片情況下，還可以把Ron做得更低一些。

      為此，羅姆的第1、2代產(chǎn)品采用平面型構(gòu)造，第3代采用了溝槽型構(gòu)造。這種溝槽型的構(gòu)造現(xiàn)在只有羅姆一家在做。不僅如此，羅姆的溝槽構(gòu)造還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：普通Si的溝槽型構(gòu)造是一個(gè)溝槽(Trench)，但是羅姆挖了兩個(gè)溝槽，因?yàn)镸OS有個(gè)最大的問題是在柵極（Gate）耐壓會(huì)差一些，因?yàn)樗莻€(gè)氧化膜，因此羅姆又挖了一個(gè)溝槽，使它的電流可以從此跑出去，使它的耐壓特性更強(qiáng)一些。這種雙溝槽的構(gòu)造是羅姆的一項(xiàng)專利，也是羅姆獨(dú)有的。

      ?模塊

      把上述的二極管、三極管集成在一起，就做成了模塊。SiC的開關(guān)損耗比IGBT更低。并且隨著頻率的增高，IGBT模塊的損耗增加很快，這意味著在頻率越高的情況下，SiC的特性會(huì)越會(huì)體現(xiàn)出來，可以越節(jié)能（如下圖)。

      3 羅姆的投資及制造進(jìn)程

      SiC領(lǐng)域也有多個(gè)玩家，除了羅姆外，還有英飛凌、Cree、ST等。

      SiC作為新一代技術(shù)和產(chǎn)品，需要擴(kuò)建和持續(xù)投資。例如羅姆，需要多個(gè)階段性投資，預(yù)計(jì)到2025年時(shí)將，累計(jì)投資將達(dá)850億日元（如下圖右）。

      羅姆的SiC產(chǎn)能預(yù)計(jì)2021年會(huì)達(dá)到2017年的6倍，2025年的時(shí)候會(huì)達(dá)到2017年的16倍（如下圖左）。除了SiC之外，驅(qū)動(dòng)SiC還需要柵極驅(qū)動(dòng)器，羅姆的柵極驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)能也會(huì)越來越提高（下圖右）。

      羅姆在2000年左右開始投資SiC。為了實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)策略，在2009年收購(gòu)了德國(guó)晶圓廠SiCrystal公司，該公司主要做SiC柱、SiC襯底。之后在2010年時(shí)羅姆實(shí)現(xiàn)了SiC肖特基的量產(chǎn)，可謂日本第一家量產(chǎn)的公司，在全球是第四家。2010年底，羅姆量產(chǎn)了SiC MOSFET，堪稱全球第一家量產(chǎn)的公司。在兩年之后的2012年，羅姆量產(chǎn)了SiC模塊，是全球第一家實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的公司。2015年，羅姆量產(chǎn)了溝槽型SiC MOSFET，也是全球第一家量產(chǎn)的公司。

羅姆的晶圓可以做到6英寸。

      4 羅姆的SiC產(chǎn)品及規(guī)劃

      主要有三大類：SiC肖特基，SiC MOSFET，SiC模塊。

      SiC肖特基現(xiàn)在主要是以第2代和第3代為主，第2代和第3代主要是650 V和1.2 kV產(chǎn)品，從5 A到40 A。

      SiC MOS也是主要以第2、3代為主，主要是650 V、1.2 kV、1.7 kV，導(dǎo)通電阻最小可以做到17 mΩ，最大約1150 mΩ。

      模塊主要是以半橋的方式，封裝主要有市場(chǎng)用的比較多的是C型、E型和G型，產(chǎn)品以1.2 kV和1.7 kV為主，電流主要是80 A到600 A安培。通用模塊方面，羅姆會(huì)自己來做；像車用六合一模塊等特殊模塊，羅姆和國(guó)內(nèi)的模塊廠一起合作。

      除此以外，羅姆還銷售SiC芯片，主要是以650 V~1.7 kV為主，從6 A一直到50 A。

      目前，羅姆正在發(fā)展以SiC為首的電源解決方案，和其它公司相比，優(yōu)勢(shì)是既有自己的晶圓，又有自己的芯片。

      絕緣柵極驅(qū)動(dòng)器方面，羅姆也是想今后把這塊做得越來越大，預(yù)計(jì)2020年3越發(fā)布第四代MOSFET產(chǎn)品。

上圖：羅姆的SiC MOSFET，及6英寸Trench-MOSFET晶圓(左)、6英寸SBD晶圓（右）

上圖：搭載羅姆SiC芯片的SiC MOSFET模塊