隨著電動汽車以及其他系統(tǒng)的增長,，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經(jīng)歷需求的突然激增。
但需求也導致市場上基于SiC的器件供應緊張,，促使一些供應商在棘手的晶圓尺寸過渡期間增加晶圓廠產(chǎn)能。一些SiC器件制造商正從4英寸晶圓過渡到6英寸晶圓。
SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料,。在生產(chǎn)流程中，專門的SiC襯底被開發(fā)出來,，然后在晶圓廠中進行加工,，得到基于SiC的功率半導體。許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管,，它們可以在高電壓下開關器件的電流,。它們用于電力電子領域，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制,。
SiC因其寬帶隙技術脫穎而出,。與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統(tǒng)硅基器件的10倍,，導熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍,，非常適合于高壓應用，如電源,、太陽能逆變器,、火車和風力渦輪機。另外,，SiC還用于制造LED,。
最大的增長機會在汽車領域，尤其是電動汽車,?；赟iC的功率半導體用于電動汽車的車載充電裝置，而這項技術正在進入系統(tǒng)的關鍵部分——牽引逆變器,。 牽引逆變器為電動機提供牽引力,，以推動車輛前進。
對于這一應用,，特斯拉在一些車型中使用了SiC功率器件,，而其他電動汽車制造商則在評估這項技術。Yole Développement的分析師Hong Lin表示：“當人們討論SiC功率器件時,，汽車市場無疑是焦點,。豐田和特斯拉等先驅(qū)企業(yè)的SiC活動給市場帶來了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場具有潛力,。但仍存在一些挑戰(zhàn),，比如成本,、長期可靠性和模塊設計?！?/p>
據(jù)Yole稱,，在汽車和其他市場的推動下，2017年SiC功率器件業(yè)務達到3.02億美元,，較2016年的2.48億美元增長22%,。Lin表示：“由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產(chǎn)能增長，在汽車行業(yè)的推動下,，我們預計2018年會實現(xiàn)飛躍,。”
據(jù)Yole稱,，到2023年,，SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。SiC器件的供應商包括Fuji,、英飛凌,、Littelfuse、三菱,、安森半導體,、意法半導體、Rohm,、東芝和Wolfspeed,。 Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商,。
制造SiC
電力電子技術在全球電力基礎設施中發(fā)揮著關鍵作用,。這項技術用于工業(yè)（電機驅(qū)動）、交通運輸（汽車,，火車）,、計算（電源）和可再生能源（太陽能、風能）,。電力電子技術在系統(tǒng)中實現(xiàn)交流電和直流電（AC&DC）的轉(zhuǎn)換,。
對于這些應用，行業(yè)使用的是各種功率半導體,。一些功率半導體是專用晶體管,，在系統(tǒng)中充當開關。它們允許電源在“開”狀態(tài)下流動,，在“關”狀態(tài)下停止,。
功率半導體是在成熟節(jié)點上制造的。這些器件旨在提高效率并最大限度地降低系統(tǒng)中的能量損失。通常,，它們是根據(jù)電壓和其他規(guī)格來評定的,，而不是根據(jù)工藝尺寸評定。
多年來,，主流的功率半導體技術一直（現(xiàn)在仍然）是硅基,，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）,。功率MOSFET被認為是最便宜,、最流行的器件，用于適配器,、電源和其他產(chǎn)品,。它們用于高達900伏的應用中。
在傳統(tǒng)的MOSFET器件中,，源極和漏極位于器件的頂部,。相比之下，功率MOSFET具有垂直結構,，其中源極和漏極分別位于器件的相對側,。垂直結構使器件能夠處理更高的電壓。
最主要的中端功率半導體器件是IGBT,，它結合了MOSFET和雙極晶體管的特性,。IGBT用于400伏~10千伏的應用。
問題在于,，功率MOSFET和IGBT正在達到其理論極限,，并且存在不必要的能量損失。器件因傳導和開關而產(chǎn)生能量損失,。傳導損耗是由器件中的電阻引起的,，而開關損耗是在開關狀態(tài)期間發(fā)生的。
Wolfspeed公司電力營銷和應用高級總監(jiān)Guy Moxey表示：“從5伏到幾百伏,，硅MOSFET一直都是一種很好的技術,。當電壓達到600伏到900伏時，硅MOSFET很好,，但它開始出現(xiàn)能量損失,。IGBT是很好的舉重運動員，但它既不快速也不高效,?！?/p>
這便是SiC的用武之地?；诘墸℅aN）的功率半導體也正在出現(xiàn),。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。 相比之下,，SiC的帶隙為3.3 eV,，GaN的帶隙為3.4 eV。
貿(mào)澤電子（Mouser Electronics）在一篇博客中表示：“電子帶隙是固體材料中價帶頂部和導帶底部之間的能量間隔,。正是這種帶隙使半導體能夠根據(jù)需要開關電流,，以實現(xiàn)特定的電氣功能?！?/p>
寬帶隙器件具有幾個優(yōu)點,。例如，電動車輛由電動機驅(qū)動器驅(qū)動,，電動機驅(qū)動器傳統(tǒng)上使用功率MOSFET或IGBT,。Wolfspeed公司的Moxey表示：“如果你用SiC替換掉原來的電動機驅(qū)動器，那么你的驅(qū)動器損耗會降低80％,。這意味著在相同的續(xù)航里程內(nèi),，你可以使用更小的電池。電池越小意味著成本越低,?！?/p>
同時，基于SiC的功率半導體用于600伏~10千伏應用,。Moxey表示：“600~1700伏電壓適用于大多數(shù)SiC應用,。當電壓達到3.3~10千伏時，它非常適合,。例如風力發(fā)電和小型電網(wǎng),。”
在電源領域,，GaN用于30~600伏的應用,。Moxey表示說：“GaN和SiC是互補技術，而非競爭技術,?！?/p>
GaN和SiC器件都比硅快，但也更貴,。Yole旗下System Plus Consulting部門設備主管Elena Barbarini表示：“目前,，SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上”
2002年，隨著SiC二極管的引入,，出現(xiàn)了第一個基于SiC的器件,，隨后在2011年推出了SIC功率MOSFET。與功率MOSFET類似,，基于SiC的器件是垂直結構,。
SiC功率MOSFET是基于SiC的功率開關晶體管,。Rohm公司應用工程師Mitch Van Ochten解釋說：“二極管是一種向一個方向傳導電流并在相反方向阻擋電流的器件?！?/p>
無論如何,，SiC功率半導體正在增長。Applied Materials公司戰(zhàn)略與技術營銷總監(jiān)Mike Rosa表示：“硅在功率器件中發(fā)揮著重要作用,。但當你談到更高的功率和更輕的重量時,，制造商們關注的卻是像SiC這樣的材料”
基于SiC的器件在晶圓廠中生產(chǎn)，行業(yè)持續(xù)進行晶圓尺寸的過渡,。Rosa表示：“4英寸或6英寸晶圓都可以使用SiC,。整個行業(yè)都在拼命追逐8英寸晶圓?！?/p>
事實上,，Cree已經(jīng)完成從4英寸（100mm）晶圓到6英寸（150mm）晶圓的過渡。Rohm和其他公司正處于過渡階段,。200mm晶圓上的SiC在一段時間內(nèi)不會出現(xiàn)。
通常,，當遷移到新的晶圓尺寸時,，每個晶圓上的裸片數(shù)量將增加2.2倍。更大的晶圓尺寸可以降低整體生產(chǎn)成本,。
在數(shù)字CMOS領域,，芯片制造商幾年前便從4英寸過渡到6英寸。對SiC進行相同的過渡聽起來很簡單,，但也存在一些挑戰(zhàn)。Lam Research戰(zhàn)略營銷高級總監(jiān)David Haynes表示：“盡管在150mm晶圓上大規(guī)模生產(chǎn)SiC功率器件已經(jīng)經(jīng)過了近5年的驗證,，但150毫米的高性能,、低缺陷密度SiC襯底的可用性和成本仍然是采用的障礙?！?/p>
Haynes表示：“也就是說,，隨著向150mm量產(chǎn)的過渡的實現(xiàn)，相關的成本節(jié)約將有助于在越來越多的應用中推動商業(yè)可行性,。另一個例子是SiC MOSFET技術的路線圖,。平面SiC MOSFET已經(jīng)在商業(yè)應用中得到了一段時間的驗證，但是今天,，對于溝槽結構的SiC MOSFET的開發(fā)和商業(yè)化得到了重大推動,，與平面結構相比，它可以提供明顯更低的導通電阻,?！?/p>
同時，在晶圓廠中，基于SiC的功率器件通常遵循與硅基芯片相同的工藝流程,。 但也存在一些差異,，例如SiC襯底的開發(fā)。
對于硅基芯片,，工藝的第一步是開發(fā)原始硅晶圓,。為此，將硅晶種放到坩堝中加熱,。最后形成的主體被稱為硅錠,，將其拉制并切成300mm及更小尺寸的硅晶圓。
然而,，對于SiC而言,，工藝是將SiC塊狀晶體被放入坩堝中加熱，將得到的錠料拉出并切成薄片,。
多年來,，SiC塊狀晶體一直被一種稱為微管的缺陷所困擾，微管是在晶體中貫穿的微米大小的孔洞,。華威大學副教授Peter Gammon表示：“微管缺陷和其他會破壞器件操作的缺陷現(xiàn)在幾乎都消除了,。材料供應商現(xiàn)在提供零微管產(chǎn)品?！?/p>
一旦SiC晶圓被開發(fā)出來,，下一步就是形成SiC襯底。將裸晶圓插入沉積系統(tǒng)中,，晶圓上會生長出SiC外延層,，從而形成SiC襯底。然后,，在晶圓廠中對SiC襯底進行加工,，并使用檢測系統(tǒng)對缺陷進行檢測。SiC器件容易出現(xiàn)缺陷,，尤其是隨著供應商轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸,。
KLA-Tencor公司 LS-SWIFT部門副總裁兼總經(jīng)理Lena nicolades表示：“SiC存在很多缺陷。對于SiC,，我們的檢測系統(tǒng)使用較短的波長,。它能在襯底中找到間斷點?！?/p>
電動汽車中的SiC
與此同時,，汽車行業(yè)是整個半導體行業(yè)中增長最快的領域。聯(lián)華電子業(yè)務發(fā)展副總裁Walter Ng說：“越來越多的客戶正在重新定義他們的產(chǎn)品組合,，以適應物聯(lián)網(wǎng)和汽車市場,。今年,，我們與汽車相關的收入大幅增長。我們預計,，在可預見的未來,，汽車相關的收入仍將繼續(xù)增長?！?/p>
SiC在汽車領域也出現(xiàn)了增長,，尤其是在電動汽車領域。電動汽車,，包括純電動汽車和混合動力汽車,，占今天全球汽車銷量的1%左右。據(jù)Frost＆Sullivan稱,，在中國和其他國家的推動下,，電動汽車市場將從2018年的160萬輛增長到2019年的200萬輛。到2025年,，市場預計將達到2500萬輛,。
Lam公司的Haynes表示：“采用電動汽車和混合動力汽車肯定會成為現(xiàn)實。然而,，在全球范圍內(nèi),，采用的時間和采用率差異很大，并且與政府政策和消費者獲得適當價格的產(chǎn)品和充電基礎設施密切相關,。毫無疑問，中國市場是電動汽車的主要增長引擎,?！?/p>
在電動汽車中，系統(tǒng)有幾個領域,，例如娛樂系統(tǒng),、車載充電器、牽引逆變器等,。 牽引逆變器將電池的能量轉(zhuǎn)化給牽引電動機,，從而推動車輛前進。
SiC正在進軍車載充電器,、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器,。車載充電器通過電網(wǎng)為車輛充電。
圖1：電動汽車中的電力電子技術 （來源：意法半導體）
DC-DC轉(zhuǎn)換器獲取電池電壓,，然后將其降低到較低的電壓,，用于控制窗戶、加熱器,，以及其他功能,。
器件制造商之間的一場大戰(zhàn)正發(fā)生在牽引逆變器領域,，尤其是純電池電動汽車領域。一般來說,，混合動力汽車正朝著48伏電池的方向發(fā)展,。對于電力發(fā)明家而言，SiC對于混合動力汽車來說通常過于昂貴,，盡管也有例外,。
與混合動力汽車一樣，純電池電動汽車也由牽引逆變器組成,。高壓母線將逆變器連接到電池和電機上,。電池為汽車提供能量。推動汽車前進的電動機有三根線,。
這三根線延伸到牽引逆變器,，然后聯(lián)網(wǎng)到逆變器模塊內(nèi)的六個開關。
每個開關實際上是一個功率半導體,，在系統(tǒng)中充當電開關,。對于開關，現(xiàn)有的技術是IGBT,。因此牽引逆變器可以由六個IGBT組成,，額定電壓為1200伏。
Rohm公司的Van Ochten表示：“實際上,，它們是電開關,。我們可以為這些電開關選擇技術，它們可以啟用和禁用各種電機繞組,，并有效地使電機旋轉(zhuǎn),。用于這種功能的最流行的電子半導體開關稱為IGBT。超過90%的汽車制造商都在使用它們,。它們是根據(jù)需要將電池電流轉(zhuǎn)換到電動機的最便宜的方式,。”
然而,，使用IGBT有一些權衡,。Van Ochten表示：“IGBT可能是最新技術價格的三分之一，但它們的速度很慢,?！?/p>
這就是業(yè)界瞄準SiC MOSFET的原因，SiC MOSFET比IGBT具有更快的切換速度,。意法半導體寬帶隙和功率射頻業(yè)務部門主管Maurizio Ferrara表示：“SiC MOSFET還降低了開關損耗,，同時降低了中低功率水平下的傳導損耗。它們的工作頻率是IGBT的四倍,。由于更小的無源元件和更少的外部元件,，因此可以減小重量,、尺寸和成本。因此,，與硅基解決方案相比,，SiC MOSFET可將效率提高90％?！?/p>
所以,，對于牽引逆變器而言，從IGBT轉(zhuǎn)向SiC MOSFET是有意義的,。但這并不那么簡單,，因為成本在等式中扮演著重要的角色。
然而,，特斯拉已經(jīng)開始嘗試冒險,。據(jù)Yole稱，特斯拉正在Model 3中使用意法半導體生產(chǎn)的SiC MOSFET,。Yole還補充說,，特斯拉還使用其他供應商的產(chǎn)品。其他汽車制造商也在探索這項技術,，不過出于成本考慮,，大多數(shù)OEM都沒有加入這一行列。
不過,，有幾種方法可以實現(xiàn)從IGBT到SiC MOSFET的轉(zhuǎn)變,。據(jù)Rohm稱，有以下幾種選擇：
將IGBT留在系統(tǒng)中,，但用SiC二極管替換硅二極管,。
將IGBT和硅二極管全部用SiC MOSFET和SiC二極管替換。
在逆變器中,，有六個IGBT，每個IGBT都有一個單獨的硅二極管,。使用二極管有幾個原因,。Rohm公司的Van Ochten表示：“IGBT無法承受反向電動勢和過高的電壓。因此,，需要在每個IGBT上加一個二極管,，以防止在關閉開關時破壞它?！?/p>
使系統(tǒng)更有效率的一種方法是替換掉硅二極管,。Van Ochten表示：“提高牽引逆變器效率的第一步是將IGBT留下。然后用SiC二極管代替普通的硅二極管,。SiC二極管具有更好的性能,。這樣可以提高效率,。”
最終的解決方案是用SiC二極管和SiC MOSFET取代IGBT和硅二極管,。Wolfspeed公司的Moxey表示：“由于材料的價格,，SiC比硅更貴。但是,，如果你的開關速度提高了四,、五倍，就可以降低磁性元件和電容器的成本,?！?/p>
這一切將走向何方？英飛凌汽車部副總裁Shawn Slusser表示：“當我們研究不同的應用時,，我們預計,，充電站和車載充電器將成為首批采用SiC技術的應用?！?/p>
Slusser表示：“至于汽車應用,，我們預計IGBT將在未來十年主導市場。SiC具有高效率,、高功率密度的優(yōu)點,，但成本較高。這意味著縮小尺寸和縮小電池容量的優(yōu)點需要彌補更高的成本,。這就是為什么我們相信SiC將最先用于車載充電器,，因為更高開關頻率下的SiC效率和更小的無源元件可以補償SiC器件的高成本。只要電池成本節(jié)省多于SiC器件增加的成本,，SiC就將被廣泛應用于大型電池電動汽車的主逆變器應用領域,。對于800伏系統(tǒng)的電動汽車，還有其他優(yōu)點,，例如更短的充電時間,、更高的逆變器效率和更低的電纜成本?！?/p>
可以肯定的是,，SiC正在升溫，電動汽車也在升溫,。如果供應商能夠降低成本,，那么SiC功率半導體似乎將成為主導者。但這說起來容易做起來難,。