至今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷經(jīng)了三個(gè)階段，分別是20世紀(jì)50年代誕生的以硅（Si）為代表的第一代半導(dǎo)體材料，及以80年代誕生的砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體材料，和如今以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶為代表的第三代半導(dǎo)體材料，且愈來(lái)愈被受到高度的重視。以碳化硅（SiC）為例，憑借其禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大等特性，SiC器件備受期待，但成本相對(duì)較高也成為其發(fā)展的障礙。近日ROHM半導(dǎo)體(北京)有限公司設(shè)計(jì)中心所長(zhǎng)水原徳建先生在媒體會(huì)上分享了有關(guān)SiC功率元器件市場(chǎng)動(dòng)向和羅姆產(chǎn)品的戰(zhàn)略規(guī)劃。他表示，SiC的成本固然很高，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，以汽車電池技術(shù)路線分析，電池的價(jià)格在下降，性能卻在增長(zhǎng)，基本上可以把SiC模塊的價(jià)格補(bǔ)平，對(duì)于整車廠來(lái)說(shuō)，性能提高了但價(jià)格并沒(méi)有太大變化。碳化硅（SiC）三大特點(diǎn)水原先生介紹說(shuō)，碳化硅（SiC）是由1：1的Si（硅）與C（碳）組合而成的一個(gè)產(chǎn)物，其特點(diǎn)十分堅(jiān)硬，以新莫氏硬度劃分，鉆石為15，SiC可達(dá)13。下圖以半導(dǎo)體功率元器件常用材料Si、GaN、SiC做的比較，可以看出SiC在物理特性上的優(yōu)勢(shì)，以及為什么會(huì)有很大的前景？1.擊穿場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，從而耐壓性更高，適合高壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)；2.冷點(diǎn)與硅相比更高，易冷卻，耐硅溫度的3倍以上；3.電子飽和速度更快，產(chǎn)品頻率可以做到更高，是硅的10倍。

下圖以Si－MOSFET和SiC－MOSFET的設(shè)計(jì)來(lái)看，水原先生告訴記者，在柵極和漏極間有一個(gè)電壓隔離區(qū)，這個(gè)區(qū)越寬，內(nèi)阻越大，功率損耗越多。圖右側(cè)可見(jiàn)SiC產(chǎn)品將這個(gè)區(qū)域做的更薄，換句話說(shuō)導(dǎo)通電阻小了,能量損耗就小了。性能會(huì)越來(lái)越好，因此，SiC因其更低功耗而成為電力電子領(lǐng)域最具前景的材料。

碳化硅（ＳiC）與硅（Si）功率元器件現(xiàn)狀比較水原先生以二極管和晶體管做了對(duì)比。在二級(jí)管中，以硅（Ｓi）做成的肖特基構(gòu)造電壓可以達(dá)到250Ｖ，而換作碳化硅（SiＣ）電壓則可達(dá)到4000V左右；再來(lái)看一下晶體管，其中Si的MOSFET常規(guī)來(lái)說(shuō)可以做到900Ｖ，水原先生說(shuō)市場(chǎng)上也有做到1500Ｖ的，但特性會(huì)差些，而SiC產(chǎn)品電壓可達(dá)3300V。隨后，水原先生介紹了600Ｖ以上耐壓功率元器件的特征比較，Si少子器件中以PN(FRD)、IGBT為代表，其特征為高耐壓性、為了補(bǔ)充導(dǎo)通阻抗，可以調(diào)節(jié)傳導(dǎo)率、由于少數(shù)載流子的積蓄，使得恢復(fù)變慢，拖尾電流等；Si的多子器件中以MOSFET為例其特征，SJ RON稍稍改善、雖然高速但是阻抗大、恢復(fù)快、耐壓900Ｖ左右；而SiＣ的多子器件如SBD、MOSFET其特征具有高耐壓性、外延層導(dǎo)通阻抗小、SW損耗急劇降低、200度以上操作可能。見(jiàn)于以上特征市場(chǎng)一致認(rèn)為以SiC做的SBD和MOSFET在高性能上更勝一籌?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，如果需要低頻高壓， Si IGBT是最好的；如果需要稍高頻，電壓不是很高的產(chǎn)品，用Si MOSFET最好；如果是即高頻又高壓那SiＣ MOSFET是最好的選擇；如果電壓不需很大，但頻率很高就選用GAN HEMT。

SiＣ產(chǎn)品為你的設(shè)計(jì)帶來(lái)了什么好處？直接的講，SiＣ能為工程師帶來(lái)的好處有三點(diǎn)：1.更低的阻抗，使得寸更小，相較于硅尺寸減少1/2，同時(shí)獲得更高的效率；2.更高頻率的運(yùn)行，高頻產(chǎn)品可以把電感電容變小，周邊模塊變小了，產(chǎn)品也相對(duì)小了1/10；3.更高溫度的運(yùn)行，出現(xiàn)更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)；舉個(gè)例子，讓我們來(lái)看看SiＣ給5kW DC/DC轉(zhuǎn)換器帶來(lái)的收益：5kW LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器上用IGBT和SIC MOS對(duì)比，以電源控制板為例，使用SiC器件及相關(guān)電路，可減小高壓電源體積，Si為8775cc,SiC僅為1350cc，芯片面積約為原來(lái)的1/4，在重量上Si IGBT為7kg，而SiC MOS 則僅有0.9kg；效率上，兩者在損耗上比較，SiC可降低63％。總結(jié)來(lái)說(shuō)，SiC MOS可提高效率，減小體積。另外一個(gè)例子，水原先生分享到，SiC－SBD與Si－FRD的恢復(fù)特性對(duì)比，水原先生從溫度和電流上來(lái)做了介紹，他解釋，Si FRD是個(gè)PN結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體+半導(dǎo)體，電流從P流向N，從on到off，在理想狀態(tài)下，硅是最好的選擇，由于其是半導(dǎo)體+半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，必定有個(gè)反向的恢復(fù)，形成了很大的浪費(fèi)區(qū)域，如下圖的三角區(qū)。

但是換成SiC－SBD，SBD是半導(dǎo)體+金屬結(jié)構(gòu)，恢復(fù)相比較而言減少很多，使反向特性變得更好些。這就是為什么要用SiC－SBD取代Si－FRD的原因。電流上來(lái)說(shuō)，硅產(chǎn)品會(huì)隨著電流的增長(zhǎng)，損耗越多，效率越來(lái)越差，但是碳化硅基本沒(méi)有變化?？傊甋iC -SBD的恢復(fù)過(guò)程幾乎不受電流、溫度的影響。傳統(tǒng)上，SiC-SBD有兩種構(gòu)造，一種是純肖特基構(gòu)造，羅姆的第一、二代產(chǎn)品都是純肖特基構(gòu)造。最大的好處在于肖特基的特性1、正方向耐壓；2.FSM瞬間大電流。 所以用純肖特基構(gòu)造來(lái)做。雖然VF可以做下來(lái)，但是瞬間大電流做的不好。羅姆的第三代產(chǎn)品是JBS構(gòu)造，優(yōu)勢(shì)是肖特基勢(shì)壘連接與PN連接，IFSM大高耐壓、漏電流小高溫時(shí)VF低。SiC -MOS與Si-IGBT/Si-MOS開(kāi)關(guān)特性對(duì)比從下圖可以看出，IGBT恢復(fù)起來(lái)，有拖尾電流，三角區(qū)是個(gè)不必要的損耗，但用碳化硅MOS 開(kāi)關(guān)off時(shí)的損耗大幅減少。普通MOS特性雖好但電壓不夠，因此SIC MOS更好。

水原先生介紹，市場(chǎng)上有兩種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，一種是平面型柵極構(gòu)造，另外一種是溝槽型柵極構(gòu)造。見(jiàn)下圖，平面MOS構(gòu)造，從兩邊開(kāi)始做，而溝槽構(gòu)造是U型深挖，這樣一來(lái)可以把芯片尺寸做的更小，價(jià)格更低。同樣的芯片尺寸可以把RDS做的更好些，這也是最大的益處。羅姆的第二代SIC MOS采用平面型柵極構(gòu)造，第三代產(chǎn)品采用溝槽型柵極構(gòu)造，值得一提的是市場(chǎng)上僅有羅姆一家采用溝槽構(gòu)造，且享有專利。下圖右側(cè)，羅姆在source這個(gè)地方繼續(xù)深了兩溝槽，因?yàn)镸OS有個(gè)最大的問(wèn)題 ，即在 gate 上耐壓差。為了在gate上做到更好的耐壓，因此羅姆又挖一個(gè)溝槽，使電流從此跑出。

SIC市場(chǎng)動(dòng)向水原先生說(shuō)，SIC 目前用的最多是在光伏、服務(wù)器上；電動(dòng)車是發(fā)展中的市場(chǎng)，充電站，電源會(huì)成為目標(biāo)市場(chǎng)?，F(xiàn)在碳化硅以1700、1200伏為主，隨著產(chǎn)品特性越來(lái)越好，未來(lái)在風(fēng)能、鐵路上將會(huì)是個(gè)頗具前景的市場(chǎng)?；贗HS市場(chǎng)調(diào)查，到2025年能源（PV，EV充電，智能電網(wǎng)等）、汽車（OBC,逆變器）、基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器）會(huì)帶來(lái)很大的增長(zhǎng)；羅姆的投資計(jì)劃以及產(chǎn)能狀況為順應(yīng)市場(chǎng)需求，羅姆自2017年到2021年有階段性的投資在SiC上，計(jì)劃到2025年投資850億日元。產(chǎn)能到2021年會(huì)提高6倍，到2025年將達(dá)到16倍，但從市場(chǎng)需求來(lái)看，就這個(gè)產(chǎn)能依然不夠，因此羅姆有可能會(huì)啟用外部代加工，水原先生說(shuō)。除SiC之外，Gate Driver也是一個(gè)很大的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到2021年羅姆的生產(chǎn)能力將提高5倍，到2025年預(yù)計(jì)提高15倍。據(jù)了解，羅姆這家公司從2000年就與大學(xué)一起開(kāi)啟研發(fā)碳化硅之路，2009年收購(gòu)德國(guó)的Sicrystal公司, 該公司主做碳化硅晶柱，2010 羅姆SiC SBD量產(chǎn)，全球第三，日本第一，同年全球首發(fā)SiC MOS，2012 SiC模塊全球首發(fā)，2015年全球首發(fā)溝槽型SiC MOS，2017年6英寸SiC SBD量產(chǎn)。時(shí)至今日，羅姆從晶棒生產(chǎn)到晶圓工藝再到封裝組裝，完成了完全垂直整合的制造工藝。產(chǎn)品陣容－SiC分立器件

產(chǎn)品陣容－全SiC功率模組產(chǎn)品陣容－SiC芯片

羅姆SiC-SBD發(fā)展路線1．晶圓越來(lái)越大，從4-6寸，未來(lái)發(fā)展到8英寸；2．所有產(chǎn)品具有車載保證；3．更多封裝。

SiC MOS發(fā)展路線1．晶圓越來(lái)越大，從4-6寸，未來(lái)發(fā)展到8英寸；2．更大的電流、電壓；3．更多封裝。適合x(chóng)EV的碳化硅方案碳化硅協(xié)同柵極驅(qū)動(dòng)為電動(dòng)車與混動(dòng)提供廣泛的車載應(yīng)用解決方案。主要應(yīng)用在車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器上，目前主驅(qū)以IGBT為主，SiC應(yīng)用正在研發(fā)中，預(yù)計(jì)2021年之后可以走向市場(chǎng)。水原先生分享電動(dòng)汽車未來(lái)的趨勢(shì)其一是行駛里程延長(zhǎng)；其二縮短充電時(shí)間；其三需要更高的電池容量。為了順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，SiC在汽車應(yīng)用中也會(huì)有個(gè)變化，在OBC這塊，2017年之前是以SiC SBD為主，2017年后SiC SBD＋SiC MOS就已經(jīng)是很成熟的市場(chǎng)；DCDC這部分，由Si MOS 演變成SiC MOS為主；逆變器上，目前以IGBT＋Si FRD為主，SiC MOS正在研發(fā)中，在2021年陸續(xù)會(huì)走向市場(chǎng)；無(wú)線充電，SiC SBD＋SiC MOS正在研發(fā)中；大功率DCDC（用于快速充電）同樣SiC MOS也正在研發(fā)中。水原先生特別提到Formula-E所用到的SiC技術(shù)，與傳統(tǒng)逆變器相比，第三賽季在使用了IGBT＋SiC SBD其重量降低2kg,尺寸減小19％，而第四賽季采用Si MOS＋SiC SBD后，與傳統(tǒng)逆變器相比其重量降低6kg，尺寸減小43％。羅姆的戰(zhàn)略規(guī)劃羅姆2019年財(cái)年報(bào)告顯示，其2018年銷售額為 3989億日元，未來(lái)增長(zhǎng)最大的兩塊是汽車電子和工業(yè)設(shè)備，預(yù)計(jì)到2020年這兩部分將占全部營(yíng)收的51％，海外市場(chǎng)變化不大，日系數(shù)碼和日系消費(fèi)市場(chǎng)將越來(lái)越窄。電源、模擬、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品將重點(diǎn)發(fā)展，以SIC解決方案為主研發(fā)更多應(yīng)用。羅姆旨在建立能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨和對(duì)應(yīng)需求變動(dòng)的生產(chǎn)體制。