繼現(xiàn)有的硅(Silicon,Si)之后，采用碳化硅(Silicon Carbide, SiC)和氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)等新型半導(dǎo)體材料的功率組件產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)在人們的視野之內(nèi)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2020年，新一代功率半導(dǎo)體的銷售額將達到1665億日元，約為2014年(129億日元)的約13倍。隨著新一代功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)，會逐漸擠壓Si功率半導(dǎo)體的市場空間么？其將會帶來哪些新的市場機遇？當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)又有哪些？cSyesmc

SiC和GaN功率器件優(yōu)勢明顯 逐步導(dǎo)入應(yīng)用階段

為了實現(xiàn)高效率的能源傳輸與利用，高性能功率元件在能源轉(zhuǎn)換中扮演著重要角色。傳統(tǒng)矽基（Si-based）材料由于無法提供較低導(dǎo)通電阻，因而在電力傳輸或轉(zhuǎn)換時導(dǎo)致大量能量損耗。SiC元件則由于具備高導(dǎo)熱特性，加上材料具有寬能隙特性而能耐高壓與承受大電流，更符合高溫作業(yè)應(yīng)用與高能效利用的要求，在近期持續(xù)受到熱切關(guān)注。相較于SiC已發(fā)展十多年了，GaN功率元件則才剛進入市場，它是一種擁有類似于SiC性能優(yōu)勢的寬能隙材料，但擁有更大的成本控制潛力。cSyesmc

瀚薪科技股份有限公司市場與營銷經(jīng)理楊雅嵐表示，傳統(tǒng)的硅功率器件，由于價格低廉與開發(fā)時間較早，已在各種電力電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。然而，隨著電力電子應(yīng)用的高效率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等需求，逐漸帶出碳化硅與氮化鎵等新一代寬禁帶材料功率半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)品進入應(yīng)用量產(chǎn)階段。

瀚薪科技股份有限公司市場與營銷經(jīng)理 楊雅嵐cSyesmc

意法半導(dǎo)體功率分立器件部技術(shù)市場高級經(jīng)理 Gianfranco CALABRO直言，SiC和GaN這兩種寬帶隙功率器件的開發(fā)目的都是為適用于新興大功率應(yīng)用領(lǐng)域，提高能效和開關(guān)頻率，降低功率損耗。但目前與傳統(tǒng)硅器件相比，市場份額還較低。cSyesmc

無疑，作為新一代功率器件，SiC和GaN的性能更加優(yōu)異。美國力特公司（Littelfuse, Inc.）資深銷售經(jīng)理朱少榮稱，相比傳統(tǒng)的Si功率器件，SiC具有四大優(yōu)點：開關(guān)功耗小，更適合高頻開關(guān)電源；極低的正向壓降，導(dǎo)通功耗低；結(jié)溫高達175度； MPS(合并肖特極P-N結(jié))架構(gòu)提高了抗沖擊能力，降低了漏電流。cSyesmc

強茂股份有限公司 SiC產(chǎn)品經(jīng)理方士碩進一步表示，在高溫工作環(huán)境下，SiC與GaN電性相較Si組件穩(wěn)定且效能較好，切換速度(switching speed)快速，使組件效率提升；在設(shè)計上則因為可在高溫工作，可減少散熱系統(tǒng)體積。方士碩指出，由于Si產(chǎn)品成本較低，市占量還是最高，但考慮到效能以及節(jié)能需求，預(yù)計到2020年時，SiC與GaN等寬能隙材料的需求量將會比現(xiàn)在提高3-4倍。cSyesmc

應(yīng)用領(lǐng)域各有側(cè)重 SiC/GaN瞄準(zhǔn)高功率密度和高能效市場

在Si材料的長久技術(shù)發(fā)展培育下，Si功率半導(dǎo)體仍為電力電子應(yīng)用的零件主流。盡管在高效率、高功率密度與高頻化設(shè)計應(yīng)用方面，Si材料功率半導(dǎo)體確實面臨發(fā)展的瓶頸，而且整個行業(yè)都在朝寬禁帶的SiC與GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)方向發(fā)展，但這并不意味著Si功率器件可以被完全取代。另外，由于各自的性能不同，Si、SiC和GaN功率器件各有不同的應(yīng)用市場。cSyesmc

朱少榮就表示，在電力電子應(yīng)用中，功率器件的功耗日益成為一個深受關(guān)注的焦點，而Si功率器件的經(jīng)過多年的發(fā)展，性能已經(jīng)接近極限，已很難再通過技術(shù)升級來降低功耗，提高溫度極限?！癝iC和GaN等功率器件具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通阻抗低，降低了設(shè)備的功耗，同時又具有耐高溫特性，因此，在高頻、高溫及大功率應(yīng)用領(lǐng)域中，SiC具有傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體器件無法比擬的優(yōu)勢?！辈贿^，朱少榮同時也指出，在電源等應(yīng)用市場，Si,SiC,GaN等功率器件會有一定的交叉。cSyesmc

“SiC材料具備高耐壓與耐高溫操作特性，非常適合用來設(shè)計600V以上的高壓器件；而針對無線充電等MHz水平的高頻應(yīng)用需求，600V以下的GaN則將有其市場發(fā)揮擅長。” 楊雅嵐表示，以市場規(guī)模來看，Si功率器件仍有其不可取代性，依然主導(dǎo)整個功率半導(dǎo)體市場的最大份額，而SiC與GaN則將由較高規(guī)格的電力電子應(yīng)用切入，逐步替代既有市場?！耙允袌龀砷L潛力來說，Si功率器件市場將持續(xù)走入低價低利的發(fā)展，而SiC與GaN則可望在高規(guī)格應(yīng)用的推動下，維持較佳的規(guī)模成長空間。”cSyesmc

方士碩也表示，在需要高耐壓(>600V)高電流特性時，使用SiC組件會較為有利；而在需要高頻切換時，使用GaN組件會較有利。方士碩進一步稱，在應(yīng)用市場端，不斷電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)(風(fēng)力發(fā)電/太陽能發(fā)電)，工業(yè)及車用電子模塊等對于效率要求較高，使用SiC或GaN可以有較大幅度改善效率。cSyesmc

Gianfranco CALABRO認為，因為擊穿電壓有可能達到更高水平，碳化硅在工業(yè)應(yīng)用中的前景更好，如逆變器、電動/混動汽車轉(zhuǎn)換器、三相開關(guān)電源。而氮化鎵的擊穿電壓相對較低(低壓MOSFET <200V)，所以目標(biāo)應(yīng)用更傾向于傳統(tǒng)開關(guān)電源，以及網(wǎng)絡(luò)或電信設(shè)備的直流-直流轉(zhuǎn)換器。兩種技術(shù)都瞄準(zhǔn)高功率密度和高能效市場。他同時也表示，在傳統(tǒng)大功率開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域（例如，服務(wù)器）可能會有些重疊，因為應(yīng)用系統(tǒng)對參數(shù)的要求相似?！芭c氮化鎵相比，碳化硅已被市場廣泛認可，并在工業(yè)應(yīng)用等市場開始啟動，隨著晶片生產(chǎn)線轉(zhuǎn)向六英寸，市場滲透率將會提高。”

意法半導(dǎo)體功率分立器件部技術(shù)市場高級經(jīng)理 Gianfranco CALABROcSyesmc

目前，全球各大半導(dǎo)體公司對于SiC的技術(shù)研究已經(jīng)進入到成熟期，大功率SiC器件已經(jīng)開始推向市場?！霸谝恍┬履茉串a(chǎn)品、航空、電動汽車及工業(yè)設(shè)備中，SiC器件已開始被廣泛應(yīng)用，逐步替代傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體器件?！?朱少榮說， Littelfuse 今年三月份推出的碳化硅肖特基二極管已經(jīng)很快被一些工業(yè)和電動汽車客戶所接受。cSyesmc

隨著新能源、工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用市場需求的啟動，SiC與GaN功率半導(dǎo)體的市場前景一片大好。全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織WSTS發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2016年全球分立式半導(dǎo)體市場約達190億美元規(guī)模，較2015年市場規(guī)模成長約2%。而在寬禁帶的SiC與GaN功率半導(dǎo)體市場方面，預(yù)估在應(yīng)用系統(tǒng)需求帶動、寬禁帶材料半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展愈臻成熟，以及產(chǎn)品價格逐步降低的推波助瀾下，市場規(guī)模將由目前的2.5億美元，快速成長至2025年的35億美元水平，預(yù)估十年間的年復(fù)合成長率將達30%。cSyesmc

國內(nèi)外企業(yè)爭先推SiC器件 GaN產(chǎn)品進程不一

由于看好SiC與GaN功率半導(dǎo)體的未來發(fā)展前景，國內(nèi)外各大廠商早已有所布局。cSyesmc

瀚薪科技一直以來致力于SiC與GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)，專注投入于SiC與GaN的材料特性、制程工藝與功率半導(dǎo)體設(shè)計及電力電子應(yīng)用的相關(guān)研究。楊雅嵐稱，目前瀚薪科技已推出650V與1200V SiC肖特基二極管與MOSFET產(chǎn)品，以符合電源、光伏逆變與新能源車輛等應(yīng)用的高效率產(chǎn)品需求。而且，該系列產(chǎn)品已大量為電源適配器、開關(guān)電源應(yīng)用、DC-DC變流器及充電樁等客戶導(dǎo)入采用。據(jù)介紹，650V 100A與1200V 60A規(guī)格的大電流SiC肖特基二極管芯片產(chǎn)品，主要是針對新能源汽車應(yīng)用中對功率模塊大電流應(yīng)用的需求，通過大電流芯片的采用，用戶可減少模塊內(nèi)芯片的用量，進一步提高功率模塊的產(chǎn)品可靠度。此外，瀚薪科技還開發(fā)了耐壓650V與1200V SiC MOSFET標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格產(chǎn)品，并以自主知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計了新型態(tài)的SiC MOSFET器件，這有助提高SiC MOSFET產(chǎn)品可靠度，并簡化應(yīng)用客戶的系統(tǒng)設(shè)計問題。cSyesmc

楊雅嵐透露，瀚薪科技目前已在SiC肖特基二極管與SiC MOSFET市場應(yīng)用導(dǎo)入量產(chǎn)，未來將持續(xù)擴展大電流規(guī)格SiC MOSFET產(chǎn)品開發(fā)，同時針對1700V與3300V SiC功率器件進行技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)投入，以期為新能源應(yīng)用、軌道交通與智能電網(wǎng)等高功率電力電子創(chuàng)新設(shè)計提供更可靠的新型功率半導(dǎo)體方案。GaN功率器件，則將以600V以下HEMT器件技術(shù)為主，切入無線充電等高頻應(yīng)用市場。cSyesmc

基于SiC材料，Littelfuse推出了LFUSCD 系列SiC肖特基二極管, 耐壓650V和1200V，額定正向?qū)娏髟?A到30A，封裝有雙引腳TO-220及三引腳TO-247。“該系列產(chǎn)品使設(shè)計人員能夠顯著降低開關(guān)損耗，能夠適應(yīng)大浪涌電流而不會產(chǎn)生熱失控，工作結(jié)溫更高，并能大幅增加系統(tǒng)效率和耐沖擊力?！?朱少榮稱，利用SiC功耗低，開關(guān)速度快的特點，LFUSCD 系列 SiC 肖特基二極管可用于各種應(yīng)用，包括有源功率因數(shù)校正（PFC）、DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的降壓或升壓級、變頻器級續(xù)流二極管（開關(guān)模式電源、太陽能、UPS、工業(yè)驅(qū)動器）、和高頻輸出整流。他透露，Littelfuse投入了大量的研發(fā)力量開發(fā)SiC產(chǎn)品，除了SiC肖特極二極管，很快還將推出新的產(chǎn)品以適應(yīng)市場的需求。cSyesmc

美國力特公司（Littelfuse, Inc.）資深銷售經(jīng)理 朱少榮cSyesmc

強茂推出的產(chǎn)品同樣為SiC肖特基，耐壓同樣為650V和1200V，電流則從2A到10A，在高溫環(huán)境下依舊保持低漏電流與高切換速度，可明顯提升電路效率。“未來，將會持續(xù)往高電壓高電流方向研發(fā)SiC肖特基，并將開發(fā)SiC MOSFET產(chǎn)品，以讓SiC產(chǎn)品線更加完整?！?方士碩說。cSyesmc

Gianfranco CALABRO直言，在碳化硅MOSFET廠商中，只有意法半導(dǎo)體的塑料封裝器件保證結(jié)溫達到200°C，在高結(jié)溫時工作性能更加出色。值得一提的是，意法半導(dǎo)體的碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻的溫度比變化極小，特別適合逆變器和電動汽車的車載充電器。至于氮化鎵產(chǎn)品，目前則還處于研發(fā)階段。Gianfranco CALABRO透露稱，意法半導(dǎo)體計劃在2017年一季度到三季度之間推出第二代1200V系列產(chǎn)品，以及多款650V新產(chǎn)品，并擴大封裝選擇范圍，2017年底將推出汽車級產(chǎn)品。cSyesmc

封裝、成本等依然是制約因素

目前，碳化硅已導(dǎo)入應(yīng)用量產(chǎn)，性能得到很多用戶認可，但氮化鎵技術(shù)的發(fā)展目前仍處于初期階段，尚未完全成熟。cSyesmc

“SiC肖特基二極管的產(chǎn)品導(dǎo)入應(yīng)用量產(chǎn)，至今已有超過10年的時間，器件在應(yīng)用的可靠度與經(jīng)驗已相對成熟，隨著近年的價格大幅下降，應(yīng)用客戶已逐漸擴大應(yīng)用設(shè)計?！睏钛艒狗Q，SiC MOSFET產(chǎn)品推出量產(chǎn)至今大約5年的時間，在器件氧化層質(zhì)量部分，仍有改善與提升空間。此外，用以取代IGBT的高良率、高電流SiC MOSFET設(shè)計，亦為技術(shù)發(fā)展的重點方向，高質(zhì)量、低成本的大尺寸SiC襯底與外延技術(shù)發(fā)展，終將扮演向前躍進的關(guān)鍵。cSyesmc

Gianfranco CALABRO認為，在不久的將來，碳化硅MOSFET還會受益于新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，例如溝道，這將進一步提高單位裸片面積的導(dǎo)通電阻。cSyesmc

至于GaN技術(shù)，雖然近年來持續(xù)受到關(guān)注，但還面臨著一些技術(shù)障礙。Gianfranco CALABRO指出，一方面，其工作頻率高于現(xiàn)有器件；另一方面，氮化鎵技術(shù)還未達到標(biāo)準(zhǔn)化的最低要求，因為目前存在不同的版本，即采用Cascode的常開（耗盡溝道模式）結(jié)構(gòu)和常關(guān)型（增強模式）。在封裝方面，氮化鎵采用傳統(tǒng)塑料封裝（高寄生電感），讓本身良好的開關(guān)性能大打折扣。Gianfranco CALABRO稱，意法半導(dǎo)體目前在研發(fā)塑料封裝的單片常關(guān)型氮化鎵，以保證此項技術(shù)本身良好的開關(guān)性能。cSyesmc

楊雅嵐認為，GaN在目前的技術(shù)開發(fā)上，主要面臨產(chǎn)品穩(wěn)定度與可靠度的問題，器件封裝的發(fā)展仍為技術(shù)開發(fā)之關(guān)鍵。此外，由于GaN器件的應(yīng)用仍將著重在其高頻開關(guān)特性優(yōu)勢，驅(qū)動控制的選用及調(diào)校，以及高頻操作下衍生的電磁干擾/兼容問題，對器件與系統(tǒng)研發(fā)人員的設(shè)計水平是一大考驗。cSyesmc

相較于傳統(tǒng)的Si功率半導(dǎo)體，寬禁帶的SiC與GaN技術(shù)產(chǎn)品帶來材料上的優(yōu)勢特性。不過，楊雅嵐指出，由于材料造成的器件特性與傳統(tǒng)Si器件有所差異，在使用上仍須針對器件特性進行優(yōu)化參數(shù)設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計與器件設(shè)計的深入探討、相輔相成，才能有效發(fā)揮寬禁帶功率器件所帶來的優(yōu)勢。cSyesmc

作為一種新型的功率器件，SiC 和GaN器件的成本比Si器件高出不少。提高良率、增加晶圓尺寸是各大企業(yè)在降低成本方面普遍采用的舉措。cSyesmc

“SiC與GaN功率器件，不管是晶圓設(shè)計還是設(shè)備都與傳統(tǒng)Si組件不同，產(chǎn)業(yè)進入門坎高，且因材料特性，制程難度高，導(dǎo)致成本也增加?！狈绞看T舉例稱，如SiC 肖特基，在相同電壓電流規(guī)格下，SiC 肖特基的成本高出Si數(shù)倍，但強茂可利用不同的制程和增加晶圓尺寸來降低成本，以提供最適合客戶需求的SiC產(chǎn)品。“2020年前，SiC器件或可慢慢取代現(xiàn)有的Si組件，提升到現(xiàn)有市場占額的3~4倍?！?span style="display:none">cSyesmc

強茂股份有限公司 SiC產(chǎn)品經(jīng)理 方士碩cSyesmc

楊雅嵐稱，由于SiC與GaN的材料與Si不同，在襯底/外延的生產(chǎn)技術(shù)上也與Si有極大的差異，導(dǎo)致SiC與GaN功率器件的成本大幅高于Si功率器件，這也是SiC/GaN器件無法全面取代Si器件市場之主因。不過，楊雅嵐同時也表示，近年來隨著襯底/外延材料技術(shù)與供應(yīng)的提升，材料成本已逐年下降；伴隨著器件供應(yīng)量與應(yīng)用的增長，SiC功率器件的價格已逐漸為應(yīng)用客戶所接受。楊雅嵐認為，持續(xù)降低成本，為應(yīng)用客戶創(chuàng)造更多的導(dǎo)入機會，仍是市場滲透的重要策略?！板娇萍汲掷m(xù)投入SiC與GaN器件上創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)，以簡化應(yīng)用設(shè)計，協(xié)助客戶從系統(tǒng)面取得優(yōu)勢。另一方面，瀚薪科技也在持續(xù)提升生產(chǎn)良率、導(dǎo)入大尺寸等襯底相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)?！?span style="display:none">cSyesmc

Gianfranco CALABRO認為，如果考慮到普通硅器件的性能限制，碳化硅和氮化鎵器件較高的成本還是合理的?！懊髂辏S著用量提高以及生產(chǎn)線向大尺寸晶片升級，成本結(jié)構(gòu)將會得到優(yōu)化?！?span style="display:none">cSyesmc

朱少榮也表示，隨著SiC技術(shù)的發(fā)展，更多的商用化產(chǎn)品推向市場， SiC功率器件會越來越被市場接受，表現(xiàn)出高性價比。cSyesmc

成本下降是必然 SiC MOSFET將搶占IGBT市場

由于SiC MOSFET具備高頻開關(guān)與無拖尾電流的特性，可有效縮減應(yīng)用系統(tǒng)體積，同時提高系統(tǒng)效率、增加功率密度；又因為寬禁帶材料的特性，SiC非常適合做為高耐壓的器件。那么隨著SiC功率器件成本的下降，在高壓功率市場，其會逐漸擠壓IGBT的市場嗎？ cSyesmc

楊雅嵐直言，在取代IGBT的市場，SiC MOSFET確有其發(fā)展?jié)摿??！耙阅壳叭虻膽?yīng)用導(dǎo)入趨勢來看，光伏逆變器與新能源車輛的馬達驅(qū)動控制應(yīng)用，將為SiC MOSFET滲透IGBT市場的重要切入點?！彼M一步稱，相較于傳統(tǒng)Si的MOSFET與IGBT產(chǎn)品，SiC MOSFET產(chǎn)品能夠通過外延厚度的調(diào)整，達到耐壓650V、1200V與1700V以上的規(guī)格要求。在器件特性上，SiC MOSFET較Si器件擁有優(yōu)異的低切換損失優(yōu)勢，單位芯片面積下的導(dǎo)通電阻(RDS(on))遠低于Si MOSFET；在光伏與新能源車輛所需的高功率逆變器應(yīng)用上，過去使用了大量的Si IGBT器件與功率模塊，但由于IGBT切換頻率較低且?guī)в型衔搽娏?，?yīng)用客戶已逐漸展開新的系統(tǒng)設(shè)計，透過SiC MOSFET的采用，提高開關(guān)頻率并消除拖尾電流，進一步獲得系統(tǒng)體積縮減與效率提升的好處。cSyesmc

Gianfranco CALABRO也表示，在工業(yè)和家電市場上，IGBT是一個高成本效益的解決方案，但是，在逆變器市場上，碳化硅MOSFET將接替IGBT成為新的霸主，因為逆變器市場對能效要求很高。在電機控制市場上，IGBT將要面臨一場衛(wèi)冕戰(zhàn)。cSyesmc

朱少榮和方士碩也皆表示，隨著更多商業(yè)化SiC 產(chǎn)品的推出，SiC MOSFET等會逐步替換掉IGBT的市場。朱少榮稱，“特別是在一些轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路方面，終端客戶往往會關(guān)注到功耗與效率，而這正是SiC功率器件的優(yōu)點。”方士碩表示，因電源供應(yīng)器的效率及標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，PFC設(shè)計有使用SiC取代Si的趨勢，以符合各國標(biāo)準(zhǔn)。另外，在光伏逆變器、油電混合車及電動車等產(chǎn)品，使用SiC所能提升的表現(xiàn)更加明顯。cSyesmc

cSyesmc