電動汽車推動了SiC功率半導體市場，但成本仍然是個問題。
隨著電動汽車以及其他系統的增長，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經歷需求的突然激增。
但需求也導致市場上基於SiC的器件供應緊張，促使一些供應商在棘手的晶圓尺寸過渡期間增加晶圓廠產能。一些SiC器件製造商正從4英寸晶圓過渡到6英寸晶圓。
SiC是一種基於硅和碳的複合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然後在晶圓廠中進行加工，得到基於SiC的功率半導體。許多基於SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用於電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。
SiC因其寬帶隙技術脫穎而出。與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統硅基器件的10倍，導熱係數是傳統硅基器件的3倍，非常適合於高壓應用，如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。另外，SiC還用於製造LED。
最大的增長機會在汽車領域，尤其是電動汽車。基於SiC的功率半導體用於電動汽車的車載充電裝置，而這項技術正在進入系統的關鍵部分——牽引逆變器。 牽引逆變器為電動機提供牽引力，以推動車輛前進。
對於這一應用，特斯拉在一些車型中使用了SiC功率器件，而其他電動汽車製造商則在評估這項技術。Yole Développement的分析師Hong Lin表示：“當人們討論SiC功率器件時，汽車市場無疑是焦點。豐田和特斯拉等先驅企業的SiC活動給市場帶來了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場具有潛力。但仍存在一些挑戰，比如成本、長期可靠性和模塊設計。”
據Yole稱，在汽車和其他市場的推動下，2017年SiC功率器件業務達到3.02億美元，較2016年的2.48億美元增長22%。Lin表示：“由於採用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產能增長，在汽車行業的推動下，我們預計2018年會實現飛躍。”
據Yole稱，到2023年，SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。SiC器件的供應商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導體、意法半導體、Rohm、東芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商。
製造SiC
電力電子技術在全球電力基礎設施中發揮著關鍵作用。這項技術用於工業（電機驅動）、交通運輸（汽車，火車）、計算（電源）和可再生能源（太陽能、風能）。電力電子技術在系統中實現交流電和直流電（AC&DC）的轉換。
對於這些應用，行業使用的是各種功率半導體。一些功率半導體是專用晶體管，在系統中充當開關。它們允許電源在“開”狀態下流動，在“關”狀態下停止。
功率半導體是在成熟節點上製造的。這些器件旨在提高效率並最大限度地降低系統中的能量損失。通常，它們是根據電壓和其他規格來評定的，而不是根據工藝尺寸評定。
多年來，主流的功率半導體技術一直（現在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。功率MOSFET被認為是最便宜、最流行的器件，用於適配器、電源和其他產品。它們用於高達900伏的應用中。
在傳統的MOSFET器件中，源極和漏極位於器件的頂部。相比之下，功率MOSFET具有垂直結構，其中源極和漏極分別位於器件的相對側。垂直結構使器件能夠處理更高的電壓。
最主要的中端功率半導體器件是IGBT，它結合了MOSFET和雙極晶體管的特性。IGBT用於400伏~10千伏的應用。
問題在於，功率MOSFET和IGBT正在達到其理論極限，並且存在不必要的能量損失。器件因傳導和開關而產生能量損失。傳導損耗是由器件中的電阻引起的，而開關損耗是在開關狀態期間發生的。
Wolfspeed公司電力營銷和應用高級總監Guy Moxey表示：“從5伏到幾百伏，硅MOSFET一直都是一種很好的技術。當電壓達到600伏到900伏時，硅MOSFET很好，但它開始出現能量損失。IGBT是很好的舉重運動員，但它既不快速也不高效。”
這便是SiC的用武之地。基於氮化鎵（GaN）的功率半導體也正在出現。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。 相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。
貿澤電子（Mouser Electronics）在一篇博客中表示：“電子帶隙是固體材料中價帶頂部和導帶底部之間的能量間隔。正是這種帶隙使半導體能夠根據需要開關電流，以實現特定的電氣功能。”
寬帶隙器件具有幾個優點。例如，電動車輛由電動機驅動器驅動，電動機驅動器傳統上使用功率MOSFET或IGBT。Wolfspeed公司的Moxey表示：“如果你用SiC替換掉原來的電動機驅動器，那麼你的驅動器損耗會降低80％。這意味著在相同的續航里程內，你可以使用更小的電池。電池越小意味著成本越低。”
同時，基於SiC的功率半導體用於600伏~10千伏應用。Moxey表示：“600~1700伏電壓適用於大多數SiC應用。當電壓達到3.3~10千伏時，它非常適合。例如風力發電和小型電網。”
在電源領域，GaN用於30~600伏的應用。Moxey表示說：“GaN和SiC是互補技術，而非競爭技術。”
GaN和SiC器件都比硅快，但也更貴。Yole旗下System Plus Consulting部門設備主管Elena Barbarini表示：“目前，SiC MOSFET器件的每安培成本比同類IGBT高出五倍以上”
2002年，隨著SiC二極管的引入，出現了第一個基於SiC的器件，隨後在2011年推出了SIC功率MOSFET。與功率MOSFET類似，基於SiC的器件是垂直結構。
SiC功率MOSFET是基於SiC的功率開關晶體管。Rohm公司應用工程師Mitch Van Ochten解釋說：“二極管是一種向一個方向傳導電流並在相反方向阻擋電流的器件。”
無論如何，SiC功率半導體正在增長。Applied Materials公司戰略與技術營銷總監Mike Rosa表示：“硅在功率器件中發揮著重要作用。但當你談到更高的功率和更輕的重量時，製造商們關注的卻是像SiC這樣的材料”
基於SiC的器件在晶圓廠中生產，行業持續進行晶圓尺寸的過渡。Rosa表示：“4英寸或6英寸晶圓都可以使用SiC。整個行業都在拼命追逐8英寸晶圓。”
事實上，Cree已經完成從4英寸（100mm）晶圓到6英寸（150mm）晶圓的過渡。Rohm和其他公司正處於過渡階段。200mm晶圓上的SiC在一段時間內不會出現。
通常，當遷移到新的晶圓尺寸時，每個晶圓上的裸片數量將增加2.2倍。更大的晶圓尺寸可以降低整體生產成本。
在數字CMOS領域，芯片製造商幾年前便從4英寸過渡到6英寸。對SiC進行相同的過渡聽起來很簡單，但也存在一些挑戰。Lam Research戰略營銷高級總監David Haynes表示：“儘管在150mm晶圓上大規模生產SiC功率器件已經經過了近5年的驗證，但150毫米的高性能、低缺陷密度SiC襯底的可用性和成本仍然是採用的障礙。”
Haynes表示：“也就是說，隨著向150mm量產的過渡的實現，相關的成本節約將有助於在越來越多的應用中推動商業可行性。另一個例子是SiC MOSFET技術的路線圖。平面SiC MOSFET已經在商業應用中得到了一段時間的驗證，但是今天，對於溝槽結構的SiC MOSFET的開發和商業化得到了重大推動，與平面結構相比，它可以提供明顯更低的導通電阻。”
同時，在晶圓廠中，基於SiC的功率器件通常遵循與硅基芯片相同的工藝流程。 但也存在一些差異，例如SiC襯底的開發。
對於硅基芯片，工藝的第一步是開發原始硅晶圓。為此，將硅晶种放到坩堝中加熱。最後形成的主體被稱為硅錠，將其拉制並切成300mm及更小尺寸的硅晶圓。
然而，對於SiC而言，工藝是將SiC塊狀晶體被放入坩堝中加熱，將得到的錠料拉出並切成薄片。
多年來，SiC塊狀晶體一直被一種稱為微管的缺陷所困擾，微管是在晶體中貫穿的微米大小的孔洞。華威大學副教授Peter Gammon表示：“微管缺陷和其他會破壞器件操作的缺陷現在幾乎都消除了。材料供應商現在提供零微管產品。”
一旦SiC晶圓被開發出來，下一步就是形成SiC襯底。將裸晶圓插入沉積系統中，晶圓上會生長出SiC外延層，從而形成SiC襯底。然後，在晶圓廠中對SiC襯底進行加工，並使用檢測系統對缺陷進行檢測。SiC器件容易出現缺陷，尤其是隨著供應商轉向更大的晶圓尺寸。
KLA-Tencor公司 LS-SWIFT部門副總裁兼總經理Lena nicolades表示：“SiC存在很多缺陷。對於SiC，我們的檢測系統使用較短的波長。它能在襯底中找到間斷點。”
電動汽車中的SiC
與此同時，汽車行業是整個半導體行業中增長最快的領域。聯華電子業務發展副總裁Walter Ng說：“越來越多的客戶正在重新定義他們的產品組合，以適應物聯網和汽車市場。今年，我們與汽車相關的收入大幅增長。我們預計，在可預見的未來，汽車相關的收入仍將繼續增長。”
SiC在汽車領域也出現了增長，尤其是在電動汽車領域。電動汽車，包括純電動汽車和混合動力汽車，佔今天全球汽車銷量的1%左右。據Frost＆Sullivan稱，在中國和其他國家的推動下，電動汽車市場將從2018年的160萬輛增長到2019年的200萬輛。到2025年，市場預計將達到2500萬輛。
Lam公司的Haynes表示：“採用電動汽車和混合動力汽車肯定會成為現實。然而，在全球範圍內，採用的時間和採用率差異很大，並且與政府政策和消費者獲得適當價格的產品和充電基礎設施密切相關。毫無疑問，中國市場是電動汽車的主要增長引擎。”
在電動汽車中，系統有幾個領域，例如娛樂系統、車載充電器、牽引逆變器等。 牽引逆變器將電池的能量轉化給牽引電動機，從而推動車輛前進。
SiC正在進軍車載充電器、DC-DC轉換器和牽引逆變器。車載充電器通過電網為車輛充電。
圖1：電動汽車中的電力電子技術 （來源：意法半導體）
DC-DC轉換器獲取電池電壓，然後將其降低到較低的電壓，用於控制窗戶、加熱器，以及其他功能。
器件製造商之間的一場大戰正發生在牽引逆變器領域，尤其是純電池電動汽車領域。一般來說，混合動力汽車正朝著48伏電池的方向發展。對於電力發明家而言，SiC對於混合動力汽車來說通常過於昂貴，儘管也有例外。
與混合動力汽車一樣，純電池電動汽車也由牽引逆變器組成。高壓母線將逆變器連接到電池和電機上。電池為汽車提供能量。推動汽車前進的電動機有三根線。
這三根線延伸到牽引逆變器，然後聯網到逆變器模塊內的六個開關。
每個開關實際上是一個功率半導體，在系統中充當電開關。對於開關，現有的技術是IGBT。因此牽引逆變器可以由六個IGBT組成，額定電壓為1200伏。
Rohm公司的Van Ochten表示：“實際上，它們是電開關。我們可以為這些電開關選擇技術，它們可以啟用和禁用各種電機繞組，並有效地使電機旋轉。用於這種功能的最流行的電子半導體開關稱為IGBT。超過90%的汽車製造商都在使用它們。它們是根據需要將電池電流轉換到電動機的最便宜的方式。”
然而，使用IGBT有一些權衡。Van Ochten表示：“IGBT可能是最新技術價格的三分之一，但它們的速度很慢。”
這就是業界瞄準SiC MOSFET的原因，SiC MOSFET比IGBT具有更快的切換速度。意法半導體寬帶隙和功率射頻業務部門主管Maurizio Ferrara表示：“SiC MOSFET還降低了開關損耗，同時降低了中低功率水平下的傳導損耗。它們的工作頻率是IGBT的四倍。由於更小的無源元件和更少的外部元件，因此可以減小重量、尺寸和成本。因此，與硅基解決方案相比，SiC MOSFET可將效率提高90％。”
所以，對於牽引逆變器而言，從IGBT轉向SiC MOSFET是有意義的。但這並不那麼簡單，因為成本在等式中扮演著重要的角色。
然而，特斯拉已經開始嘗試冒險。據Yole稱，特斯拉正在Model 3中使用意法半導體生產的SiC MOSFET。Yole還補充說，特斯拉還使用其他供應商的產品。其他汽車製造商也在探索這項技術，不過出於成本考慮，大多數OEM都沒有加入這一行列。
不過，有幾種方法可以實現從IGBT到SiC MOSFET的轉變。據Rohm稱，有以下幾種選擇：
■將IGBT留在系統中，但用SiC二極管替換硅二極管。
■將IGBT和硅二極管全部用SiC MOSFET和SiC二極管替換。
在逆變器中，有六個IGBT，每個IGBT都有一個單獨的硅二極管。使用二極管有幾個原因。Rohm公司的Van Ochten表示：“IGBT無法承受反向電動勢和過高的電壓。因此，需要在每個IGBT上加一個二極管，以防止在關閉開關時破壞它。”
使系統更有效率的一種方法是替換掉硅二極管。Van Ochten表示：“提高牽引逆變器效率的第一步是將IGBT留下。然後用SiC二極管代替普通的硅二極管。SiC二極管具有更好的性能。這樣可以提高效率。”
最終的解決方案是用SiC二極管和SiC MOSFET取代IGBT和硅二極管。Wolfspeed公司的Moxey表示：“由於材料的價格，SiC比硅更貴。但是，如果你的開關速度提高了四、五倍，就可以降低磁性元件和電容器的成本。”
這一切將走向何方？英飛凌汽車部副總裁Shawn Slusser表示：“當我們研究不同的應用時，我們預計，充電站和車載充電器將成為首批採用SiC技術的應用。”
Slusser表示：“至於汽車應用，我們預計IGBT將在未來十年主導市場。SiC具有高效率、高功率密度的優點，但成本較高。這意味著縮小尺寸和縮小電池容量的優點需要彌補更高的成本。這就是為什麼我們相信SiC將最先用於車載充電器，因為更高開關頻率下的SiC效率和更小的無源元件可以補償SiC器件的高成本。只要電池成本節省多於SiC器件增加的成本，SiC就將被廣泛應用於大型電池電動汽車的主逆變器應用領域。對於800伏系統的電動汽車，還有其他優點，例如更短的充電時間、更高的逆變器效率和更低的電纜成本。”
可以肯定的是，SiC正在升溫，電動汽車也在升溫。如果供應商能夠降低成本，那麼SiC功率半導體似乎將成為主導者。但這說起來容易做起來難。
來源：半導體行業觀察 ，作者semiengineering
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