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原厂争先布局SiC 、GaN，探究宽禁带半导体材料的应用

2019-08-21 09:42:18 小亿 157
受材料特性所限 ，硅器件各方面的性能已经接近理论极限，此背景下，宽禁带半导体材料的应用受到关注。这类材料中 ，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的发展相对更成熟 ，氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等材料的研究尚在起步阶段 。随着新能源汽车的普及和5G的商用 ，厂商针对SiC或GaN做了新的布局。





新能源车带动SiC市场



目前，车用功率模块的主流材料是IGBT。据了解，IGBT的成本约占驱动系统成本的一半 ，电机驱动系统约占全车成本15%-20% ，因此IGBT在一辆电动汽车中约占8%-10%的成本。据德勤预测 ，2020年全球新能源车销量将达到400万辆，2025年达到1200万辆，2030年达到2100万辆。由此可知，未来十年内车规级功率器件将有更大的空间。

值得注意的是，IGBT的下一代SiC技术已经崭露头角 。SiC能将新能源汽车的效率再提高10%，使用SiC工艺生产的功率器件的导通电阻更低 、芯片尺寸更小、工作频率更高 ，并可耐受更高的环境温度。为此，全球领头厂商均发力车规级SiC。


·各厂商SiC技术布局情况



罗姆半导体（北京）有限公司设计中心所长水原德健对《国际电子商情》分析师透露 ，罗姆已经在SiC生产中确立了垂直统合生产体制。2009年，该公司收购了德国单晶晶圆制造商SiCrystal ，构建起从SiC原材料到晶体生长 、晶圆加工、检测的晶圆一条龙生产体制。2010年，罗姆开始量产SiC功率元器件 ，现在主要有SiC-SBD、SiC-MOSFET和全SiC功率模块系列产品。

2018年，汽车电子和工业设备约占罗姆整体营收的48% 。预计到2020年 ，这两个业务将占全部营收的51%。根据规划，罗姆专注的三大产品群分别是大功率产品、模拟 、标准产品。

意法半导体新材料和电源解决方案部创新和关键项目战略营销总监Filippo Di Giovanni介绍，“在SiC器件市场保持领先地位”已经成为ST公司的宏伟目标  。为了实现这一目标，ST采取了一系列措施，其中包括：与Cree达成长期晶圆供应协议 ，收购SiC晶圆制造商Norstel AB的多数股权，与学术机构签订多项合作协议等等。他还称，ST将继续在工业市场等领域开拓市场及发展业务 。

ST 2018年年报显示，去年该公司约有30%的业绩归属为汽车应用。此外，ST总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery曾多次强调 ，ST在SiC器件方面的目标是，随着SiC市场走向成熟 ，市场份额要达到30％ ，在这个2025年预计市场总量超过30亿美元的市场上继续保持领先地位。

2018年5月，Microchip完成了对Microsemi的收购 ，以此获得了30多年的SiC分立式电源产品的经验 。

Microchip分立器件及电源管理业务部策略营销经理Orlando Esparza介绍， Microchip在整合SiC产品组合、单片机/模拟解决方案产品组合方面已经取得了重大进展。“Microchip希望通过对SiC产品的布局 ，来顺利进入电动汽车市场。”他表示。

Microchip是宽带隙计划Power America的成员，该组织的成员有美国国家实验室 、高等院校、知名半导体供应商和行业供应商。在组织的帮助下，Microchip与各成员建立起密切的联系，助力其SiC解决方案的研发和推广。


·降低成本，减少电磁干扰



在电动汽车中，车载充电器、DC/DC转换器、主逆变器和电动压缩机对功率电子器件要求较高，需要IGBT或SiC功率器件。SiC虽然拥有诸多优势，但是其发展也受价格高昂 、电磁干扰等缺点的限制 。

此前，SiC受限于缺少合适的衬底材料而无法量产 。直到上个世纪70年代末，一种生长大面积 SiC衬底的方法研制成功，不过这种衬底存在微管缺陷的毛病 。微管缺陷限制了每张晶片上器件的良品率，影响着每个器件的性能参数 ，还限制了SiC基板的芯片尺寸 ，导致难以制造出大面积的SiC器件，相应地也造成SiC器件的成本过高。

在降成本方面，罗姆的举措较为突出。该公司致力于晶圆的大口径化，先一步导入六英寸的SiC产线后，通过增加晶圆面积来提升SiC功率元器件的产能。为了进一步强化产能 ，罗姆在日本福冈县筑后工厂投建新厂房 。该厂房总建筑面积约为11,000㎡ ，将于2020年竣工。

由于SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT ，其回路寄生参数无法忽略，导致电磁干扰的情况发生。如何尽可能地减轻甚至消灭电磁干扰，一直是厂商关注的重点。SiC基板是减轻电磁干扰的关键，Cree集团旗下电源和RF部门（Wolfspeed）的核心就是SiC基板技术 ，在业界较有名气 。为了向客户提供更优质的SiC器件，ST与Cree达成了一项2.5亿美元的长期晶圆供应协议 ，希望通过双方的合作产出更好的SiC器件。


·SiC不会完全取代IGBT 、MOSFET



SiC能够产生正经济效益的时间点，将是它能够得以普及的分水岭 。业界对于SiC未来是否会取代IGBT、MOSFET持有不同的观点。Filippo Di Giovanni 认为，SiC不会完全取代IGBT或MOSFET。

“尊龙凯时人生就是搏z6com非常看好SiC ，不过需要明确的是，SiC不会完全取代IGBT或MOSFET。对SiC的追求并不代表ST放弃了其他功率器件，现在ST公司仍在投资IGBT及MOSFET，因为这些技术产品在开关特性 、功耗和成本方面各不相同，所以每一种产品都有适合的应用领域 。”他表示。


5G商用将带动GaN发展



实际上 ，同为宽禁带半导体的GaN和SiC在应用优势上可以互补。SiC适用于1200V以上的高电压、大电流的领域，GaN更偏向于高频 、小电流领域 。在5G时代，GaN将有更好的发展空间。


·当前GaN的市场规模小于SiC



某机构产业研究院估计，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 。另外 ，Yole的数据显示，2021年全球SiC市场规模将上涨到5.5亿美元，2016-2021年的CAGR（复合年增长率）为19% ，而GaN功率器件在2016-2021年的CAGR为86%，市场将达到3亿美元。当前，GaN的市场规模明显小于SiC 。

Filippo Di Giovanni 解释称，以前增强型开关 、耗尽型晶体管常与低压MOSFET串联使用 。由于在同一封装内增加了一个芯片，也增加了封装的复杂性 ，市场对该类解决方案的热情并不高。“传统封装方式使得芯片尺寸较大、寄生电感也较多，导致GaN开关的潜在高频优势被减弱。另外，与结型场效应晶体管类似，GaN技术是横向结构 ，在高压处理能力上，很难媲美纵向结构的SiC MOSFET。

Orlando Esparza补充说，SiC材料的历史更悠久，GaN器件是高电子迁移率晶体管（HEMT），用于电源切换的HEMT是一种更新的技术，且该器件不在天然GaN基板上制造 ，带来了额外的复杂性。同时，GaN在可靠性、散热和成本等方面也存在问题。

针对SiC 和GaN 的应用场景，他也做了介绍，当电压小于600V，对雪崩稳健性不做要求，且其他可靠性问题都得以解决，则可以选用GaN解决方案  。SiC则适用于电压大于600V的任何场景 ，其性能明显优于Si且能够可靠匹配。

水原德健强调，GaN作为SiC功率元器件的补充产品，未来有望得到进一步普及，GaN的高频特性将促使其在低耐压领域有广泛地应用。


·5G射频提升对GaN的需求



GaN材料本身存在的不足，如低电场迁移率低、高频性能差、以异质外延技术生长出的GaN单晶品质还不够好，在很大程度上限制了其应用。不过，即将大规模商用的5G将为GaN带来较大的机遇，尤其是射频方面，对GaN器件需求将非常旺盛。

2018年，罗姆与GaN Systems在GaN功率器件事业展开了合作。利用GaN Systems的GaNPXTM封装技术和罗姆的功率元器件传统封装技术，双方将联合开发GaN器件产品，挖掘其潜力 。同时，双方还将推进GaN功率器件的研发活动  ，面向工业设备、汽车及家电领域发布新产品 。

ST看好硅基的发展。在射频产品方面，ST与MACOM建立了合作关系 ，并签署了技术许可协议，授权ST在手机、无线基站和相关商用电信基础设施以外的射频市场上制造、销售硅基GaN产品 ；在功率转换应用领域，ST与CEA-LETI建立了合作关系 ，将重点在8英寸晶圆上开发和验证制造先进硅基GaN架构的功率二极体和电晶体 。

当下仍有95%的半导体器件和99%以上的集成电路采用Si材料，在半导体产业中SiC和GaN的使用量还很少。据预测，到2024年 ，第三代半导体功率电子的渗透率将达到13%。SiC和GaN以及其他宽禁带半导体材料仍有很长的路要走。


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