SiC 功率器件的市场机会与挑战

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汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势,加上 5G 商用在即,这些将带动第三代半导体材料碳化硅 (SiC) 与氮化镓 (GaN) 的发展。根据拓墣产业研究院估计,2018 年全球 SiC 基板产值将达 1.8 亿美元,而 GaN 基板产值仅约 3 百万美元。

第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是 SiC 和 GaN,其中 SiC 的发展更早一些。

SiC 功率器件与电动车

碳化硅 (SiC) 单晶材料具有禁带宽度大 (Si 的 3 倍)、热导率高 (Si 的 3.3 倍或 GaAs 的 10 倍)、电子饱和迁移速率高 (Si 的 2.5 倍) 和击穿电场高 (Si 的 10 倍或 GaAs 的 5 倍) 等性质。
SiC 器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势,弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷,正逐渐成为功率半导体的主流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。也适合于高压应用,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。另外,SiC 还用于制造 LED。
未来 5 到 10 年内,SiC 功率器件市场增长机会主要在汽车领域,特别是 EV、混合动力车、燃料电池车等电动车应用市场,它的应用率取决于采用 SiC 的位置,例如主逆变器、车载充电器(OBC)或 DC/DC 转换器。

SiC 功率器件产业动态

如基于 SiC 的功率半导体用于电动汽车的车载充电装置,而这项技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。牵引逆变器为电动机提供牵引力,以推动车辆前进。

对于这一应用,特斯拉在一些车型中使用了 SiC 功率器件,而其他电动汽车制造商则在评估这项技术。Yole Développement 的分析师 Hong Lin 表示:“当人们讨论 SiC 功率器件时,汽车市场无疑是焦点。丰田和特斯拉等先驱企业的 SiC 活动给市场带来了许多刺激和喧嚣。SiC MOSFET 在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战,比如成本、长期可靠性和模块设计。”

国内的比亚迪在日前同样宣布了他们在 SiC 方面的布局。目前,公司已投入巨资布局第三代半导体材料 SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等 SiC 基半导体全产业链,致力于降低 SiC 器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

他们已经成功研发了 SiC MOSFET (汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的 IGBT 或 MOSFET 等),有望于 2019 年推出搭载 SiC 电控的电动车。预计到 2023 年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现 SiC 基车用功率半导体对硅基 IGBT 的全面替代,将整车性能在现有基础上再提升 10%。

据 Yole 称,在汽车和其他市场的推动下,2017 年 SiC 功率器件业务达到 3.02 亿美元,较 2016 年的 2.48 亿美元增长 22%。Lin 表示:“由于采用了 SiC MOSFET 模块的特斯拉 Model 3 产能增长,在汽车行业的推动下,我们预计 2018 年会实现飞跃。”

据 Yole 称,到 2023 年,SiC 功率半导体市场预计将达到 15 亿美元。SiC 器件的供应商包括 Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和 Wolfspeed。Wolfspeed 是 Cree 的一部分。X-Fab 是 SiC 的唯一代工厂商。

英飞凌将所有 SiC 制造产线转换 6 英寸 SiC 晶圆。同时与科锐达成碳化硅 (SiC) 晶圆的策略性长期供应协议,英飞凌借此得以扩大 SiC 产品之供应,以因应光伏变频器及电动车等高成长市场需求;而英飞凌已将所有 SiC 产品转换至 6 英寸制造产线生产,因此与科锐的协议仅涵盖此类晶圆尺寸。

X-FAB 计划将其位于美国德州拉伯克市的 6 英寸 SiC 工艺产能提高一倍。X-FAB 被认为是第一家在 6 英寸晶圆上提供 SiC 工艺的晶圆代工厂,为此,该公司购买了第二台加热离子注入机,将于今年底交付,并于明年第一季度开始生产(以及时满足近期的需求预期)。此次扩产也表明了其对 SiC 技术和代工业务模式的承诺。

罗姆已经开发出采用沟槽结构的第 3 代 SiC MOSFET,与第 2 代平面结构相比,该器件实现了更低电阻的导通电阻,降低了所有设备的功率损失。针对产品紧缺的问题,据悉,罗姆正在建新工厂和产线,预计 2025 的产能将是 2017 年的 16 倍。

SiC 功率器件发展面临的挑战

在技术方面,SiC 具有高效率、高功率密度的优点,但成本较高。相对于以往的 Si 材质器件,SiC 功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为 SiC 功率器件能否真正普及的关键。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺有特殊要求等问题。

从产业格局看,目前全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,占有全球 SiC 产量的 70%~80%;欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链,在全球电力电子市场拥有强大的话语权;日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

我国开展 SiC、GaN 材料和器件方面的研究工作比较晚,但我国多家半导体厂商也在积极布局 SiC 和 GaN 器件,华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。

对比欧美日国家,中国对于 SiC 材料和器件方面的发展,要集中优势资源扶持龙头企业和研究机构,形成规模效应。

因为第三代半导体涉及多个学科、跨领域的技术和应用,很多基础性研发不是企业能够解决的,要多科研院所合作,攻克技术难题。还要借助行业协会的力量,先行规划产业发展线路,在标准、检测、认证等方面内容。

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