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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 153
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。

“大奖18dj18官网非常看好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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