碳化硅(SiC)：经历46亿年时光之旅的半导体材料
来源 ：EET
碳化硅（SiC）属于第三代半导体材料，具有1X1共价键的硅和碳化合物，其莫氏硬度为13，仅次于钻石（15）和碳化硼（14）。据说，SiC在天然环境下非常罕见，最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中，发现了少量这种物质，所以它又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。
SiC作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作，因此在电源、汽车、铁路、工业设备和家用消费电子设备中倍受欢迎。虽然SiC最后通过人工合成可以制造，但因加工极其困难，所以SiC功率元器件量产化曾一度令研究者们头疼。
日前，罗姆半导体（ROHM Semiconductor）在深圳举办了一场SiC功率器件主题的媒体交流会。作为最早一批将SiC功率元器件量产化的厂商之一，罗姆在2010年成功量产了SiC-DMOS。这次见面会上，罗姆半导体（深圳）有限公司技术中心经理苏勇锦（上图）为大家详细介绍了SiC，并将它与传统Si功率器件性能进行了对比，最后介绍了当前SiC市场的动向，和罗姆在该领域的产品布局和战略。
啥是碳化硅（SiC）？
跟传统半导体材料硅相比，它在击穿场强、禁带宽度、电子饱和速度、熔点以及热导率方面都有优势。
比如，在相同耐压级别条件下，Si-MOSFET必须要做得比较厚，而且耐压越高厚度就会越越厚，导致材料成本更高。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，而SiC-MOSFET可以讲这个区域做得更薄，达到Si-MOSFET厚度的1/10，同时漂移区阻值降低至原来的1/300。导通电阻小了,能量损耗也就小了，性能得到提升。
相对Si功率器件，SiC在二极管和晶体管的优势特征如下。在二级管中，Ｓi-FRD构造电压可以达到250Ｖ，而换成SiＣ电压则可达到4000V左右；晶体管中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市场上也有1500Ｖ的，但特性会差些，而SiC产品电压可达3300V。
那么在功率半导体的所有使用场景中，SiC-MOSFET处于什么位置呢？下图坐标轴的横轴是开关频率，纵轴是输出功率，可见SiC-MOSFET的应用集中在相对高频高压的领域，而普通Si-MOSFET主要用在低压高频领域，然后Si-IGBT在高压低频率，如果电压不需要很高，但频率要很高就选GaN HEMT。
SiC和Si性能大比拼
千辛万苦研发出来的SiC器件，和Si器件相比到底哪点好？苏勇锦认为主要有以下三点：
1、更低的阻抗，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；
2、更高频率的运行，能让被动元器件做得更小；
3、能在更高温度下运行，意味着冷却系统可以更简单。
举例来说更直观，一款5kW的 LLC DC/DC转换器，其电源控制板原先采用Si IGBT,重量为7kg，体积8,755cc；采用了SiC MOSFET后，重量减到0.9kg，体积减小到1,350cc。这得益于SiC MOSFET的芯片面积仅为Si-IGBT的1/4，并且其高频特性令损耗比Si-IGBT下降了63%。
另外，SiC-SBD（肖特基二极管）与Si-FRD的恢复特性对比，SiC-SBD的恢复过程几乎不受电流、温度影响；
SiC-MOS与Si-IGBT/Si-MOS的开关特性比较时，开关off时的损耗大幅减少，体二极管的恢复特性尤其好；
而在模组整体的损耗模拟计算中（3-phase Modulation PWM），罗姆的1200V 600A SiC模组由于具有更低的开关损耗，所以与IGBT模组（使用额定600A的产品）相比，SiC模组能够在更高速的开关条件下发挥性能优势。
SiC的最热市场：电动汽车
SiC最初的应用场景，主要集中在光伏储能中的逆变器，数据中心服务器的UPS电源，智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但是随着近些年电动和混合动力汽车（xEV）的发展，SiC也在这个新领域迅速崛起，辐射的产业包括能源（PV，EV充电，智能电网等）、汽车（OBC,逆变器）、基础设施（服务器）等。此外，电源储能、充电站是下一步的目标市场。
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。苏勇锦表示，电动汽车未来有三大趋势，一是行驶里程延长，二是缩短充电时间，三是需要更高的电池容量。为了顺应这个趋势，SiC在汽车应用中也会变化，比如OBC在2017年之前是以SiC SBD为主，2017年后SiC SBD＋SiC MOS已经成熟；DCDC也在2018年由Si MOS 演变成SiC MOS为主；逆变器目前仍以IGBT＋Si FRD为主，SiC MOS预计在2021年商用；无线充电，SiC SBD＋SiC MOS正在研发中；用于大功率DCDC（用于快速充电）的SiC MOS也正在研发中。
在著名的电动方程式（Formula-E）赛车中也用到了SiC技术，罗姆从2016年的第三赛季开始赞助Venturi车队。在第三赛季使用了IGBT＋SiC SBD后，与传统逆变器相比，重量降低2kg，尺寸减小19％，而2017年的第四赛季采用Si MOS＋SiC SBD后，其重量降低6kg，尺寸减小43％。
将SiC逆变器用于电动汽车带来的经济收益显而易见，通过SiC可提高逆变器效率3%-5%，降低电池成本/容量，并且SiC MOS有很大机会率先引入高档车中，因为其电池容量更大。
罗姆的最新SiC产品及产能状况
目前罗姆的JBS产品线已经来到第3代，相比1、2代产品二极管连接处采用肖特基势垒连接，3代增加了PN连接。在特征上除了前代产品的高耐压和高温时VF低外，还具有IFSM大、漏电流小等优点。
第3代SiC-MOSFET相比第2代，主要是架构从平面型栅极（DMOS）变成了沟槽型栅极（UMOS），这一变化可在同尺寸的条件下，将标准化导通阻抗（Ron）下降50%，同时Ciss下降35%。第4代的UMOS也在研发当中，预计今年6英寸产品将商用，分为汽车应用和非汽车应用两类。
6英寸的SiC MOSFET晶圆
罗姆从2002年就开始进行SiC MOSFET的基础研究，2004年底开发出产品原型，在2009年收购做SiC晶圆的德国材料厂商SiCrystal后，拥有了从晶棒生产、晶圆工艺到封装组装的完全垂直整合一条龙生产制。2010年，SiC SBD和SiC MOSFET相继开始量产。
自2017年到2021年，罗姆有阶段性的投资在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。
根据市场调研机构Yole Development数据，2013年罗姆在SiC市场的份额为12%，而据富士经济的数据，这一数值在2018年剧增至23%。
所以从市场需求来看，就这个产能依然不够，因此罗姆在日本国内时隔12年再建了一座占地面积20000平方米的Apollo新工厂，主要为SiC器件提供晶圆，已于2019年4月动工，预计2021年投入使用。
除SiC之外，隔离栅极驱动器（Gate Driver）也是一个很大的市场，目前市场使用光学式隔离驱动器的仍占80%，但根据罗姆调查，随着电动汽车的小型化要求不断提高，磁隔离式的比例将在2025年左右超过光学式。罗姆2016年首家开始量产单芯片集成温度监控、电源的磁隔离栅极驱动器，目前在车载磁隔离栅极驱动器IC市场占据80%以上份额，位居全球首位。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。
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