受材料特性所限，硅器件各方面的性能已經(jīng)接近理論極限，此背景下，寬禁帶半導(dǎo)體材料的應(yīng)用受到關(guān)注。這類材料中，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的發(fā)展相對更成熟，氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等材料的研究尚在起步階段。隨著新能源汽車的普及和5G的商用，廠商針對SiC或GaN做了新的布局。
目前，車用功率模塊的主流材料是IGBT。據(jù)了解，IGBT的成本約占驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)約占全車成本15%-20%，因此IGBT在一輛電動汽車中約占8%-10%的成本。據(jù)德勤預(yù)測，2020年全球新能源車銷量將達(dá)到400萬輛，2025年達(dá)到1200萬輛，2030年達(dá)到2100萬輛。由此可知，未來十年內(nèi)車規(guī)級功率器件將有更大的空間。
值得注意的是，IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角。SiC能將新能源汽車的效率再提高10%，使用SiC工藝生產(chǎn)的功率器件的導(dǎo)通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，并可耐受更高的環(huán)境溫度。為此，全球領(lǐng)頭廠商均發(fā)力車規(guī)級SiC。
羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司設(shè)計(jì)中心所長水原德健對
羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司設(shè)計(jì)中心所長水原德健對《國際電子商情》分析師透露，羅姆已經(jīng)在SiC生產(chǎn)中確立了垂直統(tǒng)合生產(chǎn)體制。2009年，該公司收購了德國單晶晶圓制造商SiCrystal，構(gòu)建起從SiC原材料到晶體生長、晶圓加工、檢測的晶圓一條龍生產(chǎn)體制。2010年，羅姆開始量產(chǎn)SiC功率元器件，現(xiàn)在主要有SiC-SBD、SiC-MOSFET和全SiC功率模塊系列產(chǎn)品。
2018年，汽車電子和工業(yè)設(shè)備約占羅姆整體營收的48%。預(yù)計(jì)到2020年，這兩個(gè)業(yè)務(wù)將占全部營收的51%。根據(jù)規(guī)劃，羅姆專注的三大產(chǎn)品群分別是大功率產(chǎn)品、模擬、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。
意法半導(dǎo)體新材料和電源解決方案部創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni
意法半導(dǎo)體新材料和電源解決方案部創(chuàng)新和關(guān)鍵項(xiàng)目戰(zhàn)略營銷總監(jiān)Filippo Di Giovanni介紹，“在SiC器件市場保持領(lǐng)先地位”已經(jīng)成為ST公司的宏偉目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，ST采取了一系列措施，其中包括：與Cree達(dá)成長期晶圓供應(yīng)協(xié)議，收購SiC晶圓制造商N(yùn)orstel AB的多數(shù)股權(quán)，與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)簽訂多項(xiàng)合作協(xié)議等等。他還稱，ST將繼續(xù)在工業(yè)市場等領(lǐng)域開拓市場及發(fā)展業(yè)務(wù)。
ST 2018年年報(bào)顯示，去年該公司約有30%的業(yè)績歸屬為汽車應(yīng)用。此外，ST總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery曾多次強(qiáng)調(diào)，ST在SiC器件方面的目標(biāo)是，隨著SiC市場走向成熟，市場份額要達(dá)到30％，在這個(gè)2025年預(yù)計(jì)市場總量超過30億美元的市場上繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。
2018年5月，Microchip完成了對Microsemi的收購，以此獲得了30多年的SiC分立式電源產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)。
Microchip分立器件及電源管理業(yè)務(wù)部策略營銷經(jīng)理Orlando Esparza介紹， Microchip在整合SiC產(chǎn)品組合、單片機(jī)/模擬解決方案產(chǎn)品組合方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。“Microchip希望通過對SiC產(chǎn)品的布局，來順利進(jìn)入電動汽車市場?！彼硎?。
Microchip是寬帶隙計(jì)劃Power America的成員，該組織的成員有美國國家實(shí)驗(yàn)室、高等院校、知名半導(dǎo)體供應(yīng)商和行業(yè)供應(yīng)商。在組織的幫助下，Microchip與各成員建立起密切的聯(lián)系，助力其SiC解決方案的研發(fā)和推廣。
在電動汽車中，車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、主逆變器和電動壓縮機(jī)對功率電子器件要求較高，需要IGBT或SiC功率器件。SiC雖然擁有諸多優(yōu)勢，但是其發(fā)展也受價(jià)格高昂、電磁干擾等缺點(diǎn)的限制。
此前，SiC受限于缺少合適的襯底材料而無法量產(chǎn)。直到上個(gè)世紀(jì)70年代末，一種生長大面積 SiC襯底的方法研制成功，不過這種襯底存在微管缺陷的毛病。微管缺陷限制了每張晶片上器件的良品率，影響著每個(gè)器件的性能參數(shù)，還限制了SiC基板的芯片尺寸，導(dǎo)致難以制造出大面積的SiC器件，相應(yīng)地也造成SiC器件的成本過高。
在降成本方面，羅姆的舉措較為突出。該公司致力于晶圓的大口徑化，先一步導(dǎo)入六英寸的SiC產(chǎn)線后，通過增加晶圓面積來提升SiC功率元器件的產(chǎn)能。為了進(jìn)一步強(qiáng)化產(chǎn)能，羅姆在日本福岡縣筑后工廠投建新廠房。該廠房總建筑面積約為11,000㎡，將于2020年竣工。
由于SiC的開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Si型IGBT，其回路寄生參數(shù)無法忽略，導(dǎo)致電磁干擾的情況發(fā)生。如何盡可能地減輕甚至消滅電磁干擾，一直是廠商關(guān)注的重點(diǎn)。SiC基板是減輕電磁干擾的關(guān)鍵，Cree集團(tuán)旗下電源和RF部門（Wolfspeed）的核心就是SiC基板技術(shù)，在業(yè)界較有名氣。為了向客戶提供更優(yōu)質(zhì)的SiC器件，ST與Cree達(dá)成了一項(xiàng)2.5億美元的長期晶圓供應(yīng)協(xié)議，希望通過雙方的合作產(chǎn)出更好的SiC器件。
SiC能夠產(chǎn)生正經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)間點(diǎn)，將是它能夠得以普及的分水嶺。業(yè)界對于SiC未來是否會取代IGBT、MOSFET持有不同的觀點(diǎn)。Filippo Di Giovanni 認(rèn)為，SiC不會完全取代IGBT或MOSFET。
“我們非常看好SiC，不過需要明確的是，SiC不會完全取代IGBT或MOSFET。對SiC的追求并不代表ST放棄了其他功率器件，現(xiàn)在ST公司仍在投資IGBT及MOSFET，因?yàn)檫@些技術(shù)產(chǎn)品在開關(guān)特性、功耗和成本方面各不相同，所以每一種產(chǎn)品都有適合的應(yīng)用領(lǐng)域?！彼硎?。
實(shí)際上，同為寬禁帶半導(dǎo)體的GaN和SiC在應(yīng)用優(yōu)勢上可以互補(bǔ)。SiC適用于1200V以上的高電壓、大電流的領(lǐng)域，GaN更偏向于高頻、小電流領(lǐng)域。在5G時(shí)代，GaN將有更好的發(fā)展空間。
拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計(jì)，2018年全球SiC基板產(chǎn)值將達(dá)1.8億美元，而GaN基板產(chǎn)值僅約3百萬美元。另外，Yole的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球SiC市場規(guī)模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的CAGR（復(fù)合年增長率）為19%，而GaN功率器件在2016-2021年的CAGR為86%，市場將達(dá)到3億美元。當(dāng)前，GaN的市場規(guī)模明顯小于SiC。
Filippo Di Giovanni 解釋稱，以前增強(qiáng)型開關(guān)、耗盡型晶體管常與低壓MOSFET串聯(lián)使用。由于在同一封裝內(nèi)增加了一個(gè)芯片，也增加了封裝的復(fù)雜性，市場對該類解決方案的熱情并不高?！皞鹘y(tǒng)封裝方式使得芯片尺寸較大、寄生電感也較多，導(dǎo)致GaN開關(guān)的潛在高頻優(yōu)勢被減弱。另外，與結(jié)型場效應(yīng)晶體管類似，GaN技術(shù)是橫向結(jié)構(gòu)，在高壓處理能力上，很難媲美縱向結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET。”
Microchip分立器件及電源管理業(yè)務(wù)部策略營銷經(jīng)理Orlando Esparza
Orlando Esparza補(bǔ)充說，SiC材料的歷史更悠久，GaN器件是高電子遷移率晶體管（HEMT），用于電源切換的HEMT是一種更新的技術(shù)，且該器件不在天然GaN基板上制造，帶來了額外的復(fù)雜性。同時(shí)，GaN在可靠性、散熱和成本等方面也存在問題。
針對SiC 和GaN 的應(yīng)用場景，他也做了介紹，當(dāng)電壓小于600V，對雪崩穩(wěn)健性不做要求，且其他可靠性問題都得以解決，則可以選用GaN解決方案。SiC則適用于電壓大于600V的任何場景，其性能明顯優(yōu)于Si且能夠可靠匹配。
水原德健強(qiáng)調(diào)，GaN作為SiC功率元器件的補(bǔ)充產(chǎn)品，未來有望得到進(jìn)一步普及，GaN的高頻特性將促使其在低耐壓領(lǐng)域有廣泛地應(yīng)用。
GaN材料本身存在的不足，如低電場遷移率低、高頻性能差、以異質(zhì)外延技術(shù)生長出的GaN單晶品質(zhì)還不夠好，在很大程度上限制了其應(yīng)用。不過，即將大規(guī)模商用的5G將為GaN帶來較大的機(jī)遇，尤其是射頻方面，對GaN器件需求將非常旺盛。
2018年，羅姆與GaN Systems在GaN功率器件事業(yè)展開了合作。利用GaN Systems的GaNPXTM封裝技術(shù)和羅姆的功率元器件傳統(tǒng)封裝技術(shù)，雙方將聯(lián)合開發(fā)GaN器件產(chǎn)品，挖掘其潛力。同時(shí)，雙方還將推進(jìn)GaN功率器件的研發(fā)活動，面向工業(yè)設(shè)備、汽車及家電領(lǐng)域發(fā)布新產(chǎn)品。
ST看好硅基的發(fā)展。在射頻產(chǎn)品方面，ST與MACOM建立了合作關(guān)系，并簽署了技術(shù)許可協(xié)議，授權(quán)ST在手機(jī)、無線基站和相關(guān)商用電信基礎(chǔ)設(shè)施以外的射頻市場上制造、銷售硅基GaN產(chǎn)品；在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域，ST與CEA-LETI建立了合作關(guān)系，將重點(diǎn)在8英寸晶圓上開發(fā)和驗(yàn)證制造先進(jìn)硅基GaN架構(gòu)的功率二極體和電晶體。
當(dāng)下仍有95%的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用Si材料，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中SiC和GaN的使用量還很少。據(jù)預(yù)測，到2024年，第三代半導(dǎo)體功率電子的滲透率將達(dá)到13%。SiC和GaN以及其他寬禁帶半導(dǎo)體材料仍有很長的路要走。
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