隨著硅材料的負(fù)載量逐漸接近極限，以硅為基片的半導(dǎo)體器件性能和能力極限已無(wú)可突破的空間。人們遂將目光投向以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料。其中，SiC作為目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料最受重視，被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為最具發(fā)展前景的“一種未來(lái)的材料”，預(yù)計(jì)在今后5~10年將會(huì)取得快速發(fā)展并有顯著成果出現(xiàn)。目前世界各國(guó)都在SiC領(lǐng)域投入重資，意圖能夠在硅基半導(dǎo)體以外保持自己國(guó)家在IC產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位。
作為SiC功率元器件的領(lǐng)先企業(yè)，羅姆日前在北京召開(kāi)媒體會(huì)，羅姆半導(dǎo)體(北京)有限公司技術(shù)中心所長(zhǎng)水原德健先生詳細(xì)介紹了SiC的市場(chǎng)動(dòng)向和羅姆的產(chǎn)品戰(zhàn)略。
羅姆半導(dǎo)體（北京）有限公司技術(shù)中心 所長(zhǎng) 水原德健
SiC功率元器件的性能優(yōu)勢(shì)
SiC是以1：1的比例，用硅和碳生成的化合物半導(dǎo)體材料。在生產(chǎn)流程中，專門(mén)的SiC晶片在工廠中開(kāi)發(fā)和加工，從而形成基于SiC的功率半導(dǎo)體?；赟iC的功率半導(dǎo)體和其競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)是專用晶體管，可在高電壓下切換電流。
水原德健先生針對(duì)半導(dǎo)體功率元器件中最主要的三種材料--Si、SiC和GaN，從物理特性上做了一一對(duì)比。與傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體器件相比，SiC功率器件擊穿場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，耐電壓更高，是同等硅器件耐壓的10倍，更適合應(yīng)用于高壓器件；其次，SiC的熔點(diǎn)更高，可以耐高溫，大約是硅的3倍以上；第三，SiC的電子飽和速度會(huì)更快，功率器件的頻率可以做的更高；第四，SiC的熱傳導(dǎo)性很高，易于冷卻；最后，SiC的的禁帶寬度會(huì)更寬一些，這樣可以使得工作溫度做的更好。
SiC優(yōu)異的材料特性
由于SiC具有上述物理特性，基于SiC的功率元器件相比硅基功率元器件，其性能上就更具優(yōu)勢(shì)，例如更低的阻抗、更高的頻率、更好地散熱效果。反映到芯片上，最大的好處就是可以把芯片做小，同時(shí)保持很好的高頻特性、高溫特性和更高效率。因此基于SiC的功率元器件在汽車或者工控行業(yè)用的比較多。以5000W DC/DC舉例， IGBT產(chǎn)品的重量要達(dá)到將近7kg左右，體積大約是8升甚至更大。如果使用SiC功率元器件，重量可以降到原來(lái)的1/8左右。而且由于芯片體積減小了，功耗更低，散熱板也變小了。同時(shí)頻率的提高了，也會(huì)帶動(dòng)整個(gè)周邊器件（包括變壓器、線圈）都可以做的很小。從而可以采用水冷降溫或用一些很小的散熱板，進(jìn)一步減小芯片面積。因此使用SiC功率元器件，不僅可以令系統(tǒng)成本下降，性能顯著提高，還可以將系統(tǒng)尺寸大幅縮減。
功率半導(dǎo)體器件的使用場(chǎng)景
水原德健先生指出，目前Si產(chǎn)品在市場(chǎng)應(yīng)用最多的還是在光伏、大數(shù)據(jù)和服務(wù)器方面，這是SiC產(chǎn)品比較成熟的應(yīng)用場(chǎng)景。接下來(lái)用的比較多的將會(huì)是新能源汽車、各種充電站和電源，還有一些家電產(chǎn)品上，但家電產(chǎn)品目前僅限于日本。另外當(dāng)前SiC產(chǎn)品還是以1700V和1200V為主，所以在風(fēng)能上用的比較少一些，未來(lái)如果能突破3300V，風(fēng)能也將是很大的一個(gè)市場(chǎng)。隨著電壓進(jìn)一步提高到3600V甚至5000V以上，SiC在鐵路上也將迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。
羅姆的SiC發(fā)展策略
羅姆從2000年通過(guò)產(chǎn)學(xué)合作方式開(kāi)始了SiC產(chǎn)品的研發(fā)；2009年收購(gòu)了德國(guó)一家主要做碳化硅柱、碳化硅襯底的晶圓廠SiCrystal；于2010年實(shí)現(xiàn)了SiC肖特基的量產(chǎn)；2010年底同時(shí)量產(chǎn)了SiC的MOS，成為全球首家量產(chǎn)SiC MOS的企業(yè)；2012年羅姆量產(chǎn)了SiC的模塊，同樣是全球首家量產(chǎn)的企業(yè)；2015年量產(chǎn)了溝槽型SiC MOS?，F(xiàn)在羅姆的晶圓可以做到六英寸。
羅姆SiC芯片產(chǎn)品陣容
羅姆的SiC產(chǎn)品分成三類，SiC的肖特基、SiC的MOS和SiC的功率模塊。未來(lái)，SiC肖特基的發(fā)展趨勢(shì)是晶圓做得越來(lái)越大，由原來(lái)的4英寸轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的6英寸，還有就是封裝做得越來(lái)越多元化。SiC MOS產(chǎn)品除了晶圓尺寸變大之外，還會(huì)將電流和電壓做大，同樣封裝也會(huì)變得越來(lái)越豐富，便于工控產(chǎn)品上更方便地使用。第二個(gè)就是車規(guī)品更多一些，第三個(gè)就是說(shuō)把封裝做的越來(lái)越全一些，越來(lái)越豐富一些。
除了具體的產(chǎn)品以外，羅姆的生產(chǎn)體制也非常有特色，遵循IDM生產(chǎn)體制。在SiC制作工藝上，首先是碳化硅柱，然后經(jīng)切片到晶圓，晶圓切出來(lái)之后，還要在晶圓上進(jìn)行各種各樣的光耦合，做成芯片，然后進(jìn)行封裝。在這整個(gè)的過(guò)程中，從碳化硅原材料開(kāi)始，一直到最后的封裝組裝，羅姆全部都是自行完成的，因此可以給客戶提供長(zhǎng)期穩(wěn)定，高品質(zhì)的供貨。
水原德健先生認(rèn)為，SiC市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)有兩個(gè)，一是技術(shù)二是原材料，只有解決了這兩個(gè)問(wèn)題，才有可能在未來(lái)的拼殺中有生存的希望。這也是為什么羅姆在2009年收購(gòu)SiCrystal的原因所在。同時(shí)，水原德健先生還透露，在未來(lái)，羅姆在SiC產(chǎn)品上會(huì)階段性的繼續(xù)投資持續(xù)投資，到2025年預(yù)計(jì)累計(jì)投資850億日元。SiC的生產(chǎn)能力到2021年會(huì)達(dá)到2017年的6倍，2025年時(shí)將會(huì)達(dá)到2017年的16倍。