SiC功率元器件市场动向及罗姆产品的战略规划

至今半导体产业发展历经了三个阶段，分别是20世纪50年代诞生的以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，及以80年代诞生的砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料，和如今以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带为代表的第三代半导体材料，且愈来愈被受到高度的重视。以碳化硅（SiC）为例，凭借其禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性，SiC器件备受期待，但成本相对较高也成为其发展的障碍。近日 ROHM半导体(北京)有限公司设计中心所长水原徳建先生在媒体会上分享了有关SiC功率元器件市场动向和罗姆产品的战略规划。他表示，SiC的成本固然很高，但长远来看，以汽车电池技术路线分析，电池的价格在下降，性能却在增长，基本上可以把SiC模块的价格补平，对于整车厂来说，性能提高了但价格并没有太大变化。

碳化硅（SiC）三大特点

水原先生介绍说，碳化硅（SiC）是由1：1的Si（硅）与C（碳）组合而成的一个产物，其特点十分坚硬，以新莫氏硬度划分，钻石为15，SiC可达13。

下图以半导体功率元器件常用材料Si、GaN、SiC做的比较，可以看出SiC在物理特性上的优势，以及为什么会有很大的前景？

1.击穿场强度更强，从而耐压性更高，适合高压产品设计；
2.冷点与硅相比更高，易冷却，耐硅温度的3倍以上；
3.电子饱和速度更快，产品频率可以做到更高，是硅的10倍。

下图以Si－MOSFET和SiC－MOSFET的设计来看，水原先生告诉记者，在栅极和漏极间有一个电压隔离区，这个区越宽，内阻越大，功率损耗越多。图右侧可见SiC产品将这个区域做的更薄，换句话说导通电阻小了,能量损耗就小了。性能会越来越好，因此，SiC因其更低功耗而成为电力电子领域最具前景的材料。

碳化硅（ＳiC）与硅（Si）功率元器件现状比较

水原先生以二极管和晶体管做了对比。在二级管中，以硅（Ｓi）做成的肖特基构造电压可以达到250Ｖ，而换作碳化硅（SiＣ）电压则可达到4000V左右；再来看一下晶体管，其中Si的MOSFET常规来说可以做到900Ｖ，水原先生说市场上也有做到1500Ｖ的，但特性会差些，而SiC产品电压可达3300V。

随后，水原先生介绍了600Ｖ以上耐压功率元器件的特征比较，Si少子器件中以PN(FRD)、IGBT为代表，其特征为高耐压性、为了补充导通阻抗，可以调节传导率、由于少数载流子的积蓄，使得恢复变慢，拖尾电流等；Si的多子器件中以MOSFET为例其特征，SJ RON稍稍改善、虽然高速但是阻抗大、恢复快、耐压900Ｖ左右；而SiＣ的多子器件如SBD、MOSFET其特征具有高耐压性、外延层导通阻抗小、SW损耗急剧降低、200度以上操作可能。见于以上特征市场一致认为以SiC做的SBD和MOSFET在高性能上更胜一筹。总结来说，如果需要低频高压， Si IGBT是最好的；如果需要稍高频，电压不是很高的产品，用Si MOSFET最好；如果是即高频又高压那SiＣ MOSFET是最好的选择；如果电压不需很大，但频率很高就选用GAN HEMT。

SiＣ产品为你的设计带来了什么好处？

直接的讲，SiＣ能为工程师带来的好处有三点：1.更低的阻抗，使得寸更小，相较于硅尺寸减少1/2，同时获得更高的效率；2.更高频率的运行，高频产品可以把电感电容变小，周边模块变小了，产品也相对小了1/10；3.更高温度的运行，出现更简单的冷却系统；

举个例子，让我们来看看SiＣ给5kW DC/DC转换器带来的收益：5kW LLC DC/DC 转换器上用IGBT和SIC MOS对比，以电源控制板为例，使用SiC器件及相关电路，可减小高压电源体积，Si为8775cc,SiC仅为1350cc，芯片面积约为原来的1/4，在重量上Si IGBT为7kg，而SiC MOS 则仅有0.9kg；效率上，两者在损耗上比较，SiC可降低63％。总结来说，SiC MOS可提高效率，减小体积。

另外一个例子，水原先生分享到，SiC－SBD与Si－FRD的恢复特性对比，水原先生从温度和电流上来做了介绍，他解释，Si FRD是个PN结构，半导体+半导体，电流从P流向N，从on到off，在理想状态下，硅是最好的选择，由于其是半导体+半导体结构，必定有个反向的恢复，形成了很大的浪费区域，如下图的三角区。

但是换成SiC－SBD，SBD是半导体+金属结构，恢复相比较而言减少很多，使反向特性变得更好些。这就是为什么要用SiC－SBD取代Si－FRD的原因。

电流上来说，硅产品会随着电流的增长，损耗越多，效率越来越差，但是碳化硅基本没有变化。总之SiC -SBD的恢复过程几乎不受电流、温度的影响。

传统上，SiC-SBD有两种构造，一种是纯肖特基构造，罗姆的第一、二代产品都是纯肖特基构造。最大的好处在于肖特基的特性1、正方向耐压；2.FSM瞬间大电流。 所以用纯肖特基构造来做。虽然VF可以做下来，但是瞬间大电流做的不好。罗姆的第三代产品是JBS构造，优势是肖特基势垒连接与PN连接，IFSM大高耐压、漏电流小高温时VF低。

SiC -MOS与Si-IGBT/Si-MOS开关特性对比

从下图可以看出，IGBT恢复起来，有拖尾电流，三角区是个不必要的损耗，但用碳化硅MOS 开关off时的损耗大幅减少。普通MOS特性虽好但电压不够，因此SIC MOS更好。

水原先生介绍，市场上有两种结构的产品，一种是平面型栅极构造，另外一种是沟槽型栅极构造。见下图，平面MOS构造，从两边开始做，而沟槽构造是U型深挖，这样一来可以把芯片尺寸做的更小，价格更低。同样的芯片尺寸可以把RDS做的更好些，这也是最大的益处。

罗姆的第二代SIC MOS采用平面型栅极构造，第三代产品采用沟槽型栅极构造，值得一提的是市场上仅有罗姆一家采用沟槽构造，且享有专利。下图右侧，罗姆在source这个地方继续深了两沟槽，因为MOS有个最大的问题 ，即在 gate 上耐压差。为了在gate上做到更好的耐压，因此罗姆又挖一个沟槽，使电流从此跑出。

SIC市场动向

水原先生说，SIC 目前用的最多是在光伏、服务器上；电动车是发展中的市场，充电站，电源会成为目标市场。现在碳化硅以1700、1200伏为主，随着产品特性越来越好，未来在风能、铁路上将会是个颇具前景的市场。基于IHS市场调查，到2025年能源（PV，EV充电，智能电网等）、汽车（OBC,逆变器）、基础设施（服务器）会带来很大的增长；

罗姆的投资计划以及产能状况

为顺应市场需求，罗姆自2017年到2021年有阶段性的投资在SiC上，计划到2025年投资850亿日元。产能到2021年会提高6倍，到2025年将达到16倍，但从市场需求来看，就这个产能依然不够，因此罗姆有可能会启用外部代加工，水原先生说。

除SiC之外，Gate Driver也是一个很大的市场，预计到2021年罗姆的生产能力将提高5倍，到2025年预计提高15倍。

据了解，罗姆这家公司从2000年就与大学一起开启研发碳化硅之路，2009年收购德国的Sicrystal公司, 该公司主做碳化硅晶柱，2010 罗姆SiC SBD量产，全球第三，日本第一，同年全球首发SiC MOS，2012 SiC模块全球首发，2015年全球首发沟槽型SiC MOS，2017年6英寸SiC SBD量产。时至今日，罗姆从晶棒生产到晶圆工艺再到封装组装，完成了完全垂直整合的制造工艺。

产品阵容－SiC分立器件

产品阵容－全SiC功率模组

产品阵容－SiC芯片

罗姆SiC-SBD发展路线

1．晶圆越来越大，从4-6寸，未来发展到8英寸；
2．所有产品具有车载保证；
3．更多封装。

SiC MOS发展路线

1．晶圆越来越大，从4-6寸，未来发展到8英寸；
2．更大的电流、电压；
3．更多封装。

适合xEV的碳化硅方案

碳化硅协同栅极驱动为电动车与混动提供广泛的车载应用解决方案。主要应用在车载充电器、降压转换器和主驱逆变器上，目前主驱以IGBT为主，SiC应用正在研发中，预计2021年之后可以走向市场。水原先生分享电动汽车未来的趋势其一是行驶里程延长；其二缩短充电时间；其三需要更高的电池容量。为了顺应这个趋势，SiC在汽车应用中也会有个变化，在OBC这块，2017年之前是以SiC SBD为主，2017年后SiC SBD＋SiC MOS就已经是很成熟的市场；DCDC这部分，由Si MOS 演变成SiC MOS为主；逆变器上，目前以IGBT＋Si FRD为主，SiC MOS正在研发中，在2021年陆续会走向市场；无线充电，SiC SBD＋SiC MOS正在研发中；大功率DCDC（用于快速充电）同样SiC MOS也正在研发中。水原先生特别提到Formula-E所用到的SiC技术，与传统逆变器相比，第三赛季在使用了IGBT＋SiC SBD其重量降低2kg,尺寸减小19％，而第四赛季采用Si MOS＋SiC SBD后，与传统逆变器相比其重量降低6kg，尺寸减小43％。

罗姆的战略规划

罗姆2019年财年报告显示，其2018年销售额为 3989亿日元，未来增长最大的两块是汽车电子和工业设备，预计到2020年这两部分将占全部营收的51％，海外市场变化不大，日系数码和日系消费市场将越来越窄。电源、模拟、标准产品将重点发展，以SIC解决方案为主研发更多应用。罗姆旨在建立能够长期稳定供货和对应需求变动的生产体制。