深入剖析碳化硅：羅姆為你揭示背后的成本秘密

作為第三代半導(dǎo)體中的明星，碳化硅因?yàn)槠洫?dú)有的特性和優(yōu)勢(shì)受到各方青睞。尤其是時(shí)下電動(dòng)汽車市場(chǎng)的火爆，助推了碳化硅器件的發(fā)展與應(yīng)用。不過，作為新興事物，碳化硅器件的產(chǎn)品良率及價(jià)格問題使得其應(yīng)用變得撲朔迷離。碳化硅器件到底好在哪?目前主要應(yīng)用領(lǐng)域?成本與硅相比差多少?發(fā)展前景如何?最近，碳化硅主要供應(yīng)商羅姆半導(dǎo)體公司舉辦座談會(huì)，羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心所長(zhǎng)水原德建先生就這些問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

碳化硅的特性優(yōu)勢(shì)

碳化硅(SiC)是具有1x1共價(jià)鍵的硅和碳的化合物半導(dǎo)體，被視為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的重要組成單元,業(yè)界普遍認(rèn)為其具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅具有寬的禁帶寬度(禁帶寬度大于2.2ev)、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高抗輻射能力、高電子飽和速率等特點(diǎn)，這使得碳化硅特別適用于需要高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的應(yīng)用中。

上圖展示了碳化硅和硅及GaN在5大特性方面的對(duì)比，可以看出，碳化硅在各方面都比硅性能要好得多，即便是和同樣第三代寬帶隙半導(dǎo)體的GaN相比，碳化硅在熱導(dǎo)率特性上也要更優(yōu)異。

和硅相比，碳化硅具有更高耐壓，從而可以使半導(dǎo)體層更薄、阻值更低，碳化硅也因其更低的功耗而成為電力電子領(lǐng)域最具前景的材料。

碳化硅為終端應(yīng)用帶來的好處

碳化硅材料的天生優(yōu)勢(shì)賦予了碳化硅基器件的強(qiáng)大性能，使用碳化硅替代硅，我們能獲得哪些好處呢?

首先碳化硅所具有的更低阻抗使最終器件的尺寸更小，效率更高;其次，碳化硅器件可以在更高頻率下運(yùn)行，從而可以使用更小的被動(dòng)元器件;另外，碳化硅器件可以在更高的溫度下運(yùn)行，因此，就降低了系統(tǒng)冷卻要求，可以使用更簡(jiǎn)單更小型的冷卻系統(tǒng)。另外，SiC-SBD與Si-FRD相比恢復(fù)特性也很優(yōu)異，其恢復(fù)過程幾乎不受電流、溫度的影響。SiC-MOS與Si-IGBT和Si-MOS的開關(guān)特性相比，關(guān)斷時(shí)的損耗大幅減小，體二極管的恢復(fù)特性更好。

例如，對(duì)于一個(gè)5kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如果使用SiC MOSFET替代Si IGBT，損耗可以降低63%，體積也大大減小，整個(gè)系統(tǒng)的重量從原來的7kg降為0.9kg。體積和重量之所以大幅下降，是因?yàn)槔锩媸褂玫腟iC芯片更小，功耗更低，下面的散熱板也就相應(yīng)變小了，而且頻率提高后，周邊器件包括變壓器、線圈都可以做的很小，整體而言，體積和重量就降下來了。

在電動(dòng)方程式大賽中，SiC帶來的優(yōu)勢(shì)更是讓人印象深刻。羅姆在2016年第三賽季開始與文圖瑞Formula E車隊(duì)進(jìn)行技術(shù)合作。文圖瑞賽車的逆變器在第二賽季的時(shí)候使用的還是傳統(tǒng)IGBT模塊，在第三賽季的時(shí)候用上了羅姆的IGBT加上SiC的肖特基，在第四賽季時(shí)采用了羅姆的全SiC模塊，所謂全SiC就是SiC的MOS加上SiC的肖特基。結(jié)果顯示，相比第二賽季，第三賽季的逆變器重量減輕了兩公斤，尺寸減少了19%，而第四賽季搭載全SiC之后，重量減輕了將近6公斤，尺寸減少了43%。最直接的好處是重量降下來之后，賽車的行駛距離更長(zhǎng)了。

適于碳化硅器件的用武之地

雖然碳化硅材料具有比硅更好的特性，但并非可以完全取代硅。作為最廣泛的半導(dǎo)體材料，硅仍然具有它的不可替代的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前來看，基于碳化硅材料的功率半導(dǎo)體適合應(yīng)用于高頻高功率高工作電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。例如，光伏儲(chǔ)能和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器領(lǐng)域，已經(jīng)在廣泛使用碳化硅器件，隨著碳化硅MOS的工作電壓的提高，未來高速鐵路、風(fēng)電等領(lǐng)域也是碳化硅的潛在應(yīng)用市場(chǎng)，同時(shí)，時(shí)下的電動(dòng)汽車是碳化硅的一個(gè)熱點(diǎn)市場(chǎng)。

綜合來看，SiC在一些特定應(yīng)用中正在迅速取代原來的硅基產(chǎn)品，同時(shí)，由于其的新特性，SiC器件正在新興應(yīng)用領(lǐng)域中迅速擴(kuò)展。

碳化硅器件和硅器件的成本對(duì)比

一般來看，碳化硅器件比硅器件價(jià)格高，所以采用碳化硅后終端產(chǎn)品成本相對(duì)來說也要高一些。但如果綜合考慮整體成本，事實(shí)上并沒有增加。對(duì)于整車廠來說，使用SiC可以提高逆變器效率，從而能夠降低電池容量和成本，平衡一下，結(jié)果是提高了效率而整體價(jià)格并沒有提高。另外，電池的降價(jià)也會(huì)平衡使用碳化硅器件的成本?？傮w來看，羅姆認(rèn)為，大約到2021年左右，汽車采用碳化硅后會(huì)帶來整體價(jià)格上的下降。

碳化硅廠商的應(yīng)對(duì)之策

為了滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求，碳化硅廠商也在不斷提升生產(chǎn)能力，以滿足市場(chǎng)需求。

羅姆半導(dǎo)體是全球主要的碳化硅生產(chǎn)供應(yīng)商，它還是少有的可以提供從碳化硅晶棒生產(chǎn)到晶圓制造，再到封裝組裝等完全垂直整合制造工藝的廠商。羅姆的碳化硅產(chǎn)品不僅提供SiC-SBD、SiC-MOS，還提供碳化硅功率模組，未來會(huì)在提供更大尺寸的晶圓，提升碳化硅器件的工作電流電壓、提供更多類型的封裝形式上加大投入力度。