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SiC的突破要解決技術和原材料兩大難題

2019-07-21
王偉
關鍵詞: 羅姆 SiC

  隨著硅材料的負載量逐漸接近極限,以硅為基片的半導體器件性能和能力極限已無可突破的空間。人們遂將目光投向以碳化硅(SiC)為代表的第三代寬帶隙半導體材料。其中,SiC作為目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料最受重視,被業內公認為最具發展前景的“一種未來的材料”,預計在今后5~10年將會取得快速發展并有顯著成果出現。目前世界各國都在SiC領域投入重資,意圖能夠在硅基半導體以外保持自己國家在IC產業的領先地位。

  作為SiC功率元器件的領先企業,羅姆日前在北京召開媒體會,羅姆半導體(北京)有限公司技術中心所長水原德健先生詳細介紹了SiC的市場動向和羅姆的產品戰略。

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  羅姆半導體(北京)有限公司技術中心 所長 水原德健

  SiC功率元器件的性能優勢

  SiC是以1:1的比例,用硅和碳生成的化合物半導體材料。在生產流程中,專門的SiC晶片在工廠中開發和加工,從而形成基于SiC的功率半導體。基于SiC的功率半導體和其競爭技術是專用晶體管,可在高電壓下切換電流。

  水原德健先生針對半導體功率元器件中最主要的三種材料--Si、SiC和GaN,從物理特性上做了一一對比。與傳統的硅基功率半導體器件相比,SiC功率器件擊穿場強度更強,耐電壓更高,是同等硅器件耐壓的10倍,更適合應用于高壓器件;其次,SiC的熔點更高,可以耐高溫,大約是硅的3倍以上;第三,SiC的電子飽和速度會更快,功率器件的頻率可以做的更高;第四,SiC的熱傳導性很高,易于冷卻;最后,SiC的的禁帶寬度會更寬一些,這樣可以使得工作溫度做的更好。

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  SiC優異的材料特性

  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,其性能上就更具優勢,例如更低的阻抗、更高的頻率、更好地散熱效果。反映到芯片上,最大的好處就是可以把芯片做小,同時保持很好的高頻特性、高溫特性和更高效率。因此基于SiC的功率元器件在汽車或者工控行業用的比較多。以5000W DC/DC舉例, IGBT產品的重量要達到將近7kg左右,體積大約是8升甚至更大。如果使用SiC功率元器件,重量可以降到原來的1/8左右。而且由于芯片體積減小了,功耗更低,散熱板也變小了。同時頻率的提高了,也會帶動整個周邊器件(包括變壓器、線圈)都可以做的很小。從而可以采用水冷降溫或用一些很小的散熱板,進一步減小芯片面積。因此使用SiC功率元器件,不僅可以令系統成本下降,性能顯著提高,還可以將系統尺寸大幅縮減。

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  功率半導體器件的使用場景

  水原德健先生指出,目前Si產品在市場應用最多的還是在光伏、大數據和服務器方面,這是SiC產品比較成熟的應用場景。接下來用的比較多的將會是新能源汽車、各種充電站和電源,還有一些家電產品上,但家電產品目前僅限于日本。另外當前SiC產品還是以1700V和1200V為主,所以在風能上用的比較少一些,未來如果能突破3300V,風能也將是很大的一個市場。隨著電壓進一步提高到3600V甚至5000V以上,SiC在鐵路上也將迎來廣闊的應用前景。

  羅姆的SiC發展策略

  羅姆從2000年通過產學合作方式開始了SiC產品的研發;2009年收購了德國一家主要做碳化硅柱、碳化硅襯底的晶圓廠SiCrystal;于2010年實現了SiC肖特基的量產;2010年底同時量產了SiC的MOS,成為全球首家量產SiC MOS的企業;2012年羅姆量產了SiC的模塊,同樣是全球首家量產的企業;2015年量產了溝槽型SiC MOS。現在羅姆的晶圓可以做到六英寸。

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  羅姆SiC芯片產品陣容

  羅姆的SiC產品分成三類,SiC的肖特基、SiC的MOS和SiC的功率模塊。未來,SiC肖特基的發展趨勢是晶圓做得越來越大,由原來的4英寸轉化為現在的6英寸,還有就是封裝做得越來越多元化。SiC MOS產品除了晶圓尺寸變大之外,還會將電流和電壓做大,同樣封裝也會變得越來越豐富,便于工控產品上更方便地使用。第二個就是車規品更多一些,第三個就是說把封裝做的越來越全一些,越來越豐富一些。

  除了具體的產品以外,羅姆的生產體制也非常有特色,遵循IDM生產體制。在SiC制作工藝上,首先是碳化硅柱,然后經切片到晶圓,晶圓切出來之后,還要在晶圓上進行各種各樣的光耦合,做成芯片,然后進行封裝。在這整個的過程中,從碳化硅原材料開始,一直到最后的封裝組裝,羅姆全部都是自行完成的,因此可以給客戶提供長期穩定,高品質的供貨。

  水原德健先生認為,SiC市場的競爭點有兩個,一是技術二是原材料,只有解決了這兩個問題,才有可能在未來的拼殺中有生存的希望。這也是為什么羅姆在2009年收購SiCrystal的原因所在。同時,水原德健先生還透露,在未來,羅姆在SiC產品上會階段性的繼續投資持續投資,到2025年預計累計投資850億日元。SiC的生產能力到2021年會達到2017年的6倍,2025年時將會達到2017年的16倍。


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