SiC功率器件的市场机会与挑战
2020-02-10
汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势，加上5G商用在即，这些将带动第三代半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)的发展。根据拓墣产业研究院估计，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。
第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些。
SiC功率器件与电动车
碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大(Si的3倍)、热导率高(Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)和击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等性质。
SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势，弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。它们用于电力电子领域，可以实现系统中电力的转换和控制。也适合于高压应用，如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。另外，SiC还用于制造LED。
未来5到10年内，SiC功率器件市场增长机会主要在汽车领域，特别是EV、混合动力车、燃料电池车等电动车应用市场，它的应用率取决于采用SiC的位置，例如主逆变器、车载充电器（OBC）或DC/DC转换器。
SiC功率器件产业动态
如基于SiC的功率半导体用于电动汽车的车载充电装置，而这项技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。牵引逆变器为电动机提供牵引力，以推动车辆前进。
对于这一应用，特斯拉在一些车型中使用了SiC功率器件，而其他电动汽车制造商则在评估这项技术。Yole Développement的分析师Hong Lin表示：“当人们讨论SiC功率器件时，汽车市场无疑是焦点。丰田和特斯拉等先驱企业的SiC活动给市场带来了许多刺激和喧嚣。SiC MOSFET在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战，比如成本、长期可靠性和模块设计。”
国内的比亚迪在日前同样宣布了他们在SiC方面的布局。目前，公司已投入巨资布局第三代半导体材料SiC，并将整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。
他们已经成功研发了SiC MOSFET（汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等），有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。
据Yole称，在汽车和其他市场的推动下，2017年SiC功率器件业务达到3.02亿美元，较2016年的2.48亿美元增长22%。Lin表示：“由于采用了SiC MOSFET模块的特斯拉Model 3产能增长，在汽车行业的推动下，我们预计2018年会实现飞跃。”
据Yole称，到2023年，SiC功率半导体市场预计将达到15亿美元。SiC器件的供应商包括Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工厂商。
英飞凌将所有SiC制造产线转换6英寸SiC晶圆。同时与科锐达成碳化硅(SiC)晶圆的策略性长期供应协议，英飞凌借此得以扩大SiC产品之供应，以因应光伏变频器及电动车等高成长市场需求；而英飞凌已将所有SiC产品转换至6英寸制造产线生产，因此与科锐的协议仅涵盖此类晶圆尺寸。
X-FAB计划将其位于美国德州拉伯克市的6英寸SiC工艺产能提高一倍。X-FAB被认为是第一家在6英寸晶圆上提供SiC工艺的晶圆代工厂，为此，该公司购买了第二台加热离子注入机，将于今年底交付，并于明年第一季度开始生产（以及时满足近期的需求预期）。此次扩产也表明了其对SiC技术和代工业务模式的承诺。
罗姆已经开发出采用沟槽结构的第3代SiC MOSFET，与第2代平面结构相比，该器件实现了更低电阻的导通电阻，降低了所有设备的功率损失。针对产品紧缺的问题，据悉，罗姆正在建新工厂和产线，预计2025的产能将是2017年的16倍。
SiC功率器件发展面临的挑战
在技术方面，SiC具有高效率、高功率密度的优点，但成本较高。相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺有特殊要求等问题。
从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。
我国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，但我国多家半导体厂商也在积极布局SiC和GaN器件，华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。
对比欧美日国家，中国对于SiC材料和器件方面的发展，要集中优势资源扶持龙头企业和研究机构，形成规模效应。
因为第三代半导体涉及多个学科、跨领域的技术和应用，很多基础性研发不是企业能够解决的，要多科研院所合作，攻克技术难题。还要借助行业协会的力量，先行规划产业发展线路，在标准、检测、认证等方面内容。
