以SiC和GaN為代表的第三代半導體材料是全球戰(zhàn)略競爭新的制高點。美、日、歐等各國積極進行戰(zhàn)略部署，第三代半導體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競爭焦點。
作為電力電子器件，SiC器件在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動汽車等由于成本因素，逐漸失去了競爭力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢。
第三代半導體材料
近年來，第三代半導體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場前景，成為全球半導體市場爭奪的焦點。
所謂第三代半導體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導體材料。
當前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。
SiC的電力電子器件市場在2016年正式形成，市場規(guī)模約在2.1億—2.4億美金之間。
而據(jù)Yole最新預測，SiC市場規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金。目前全球有超過30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計、制造和銷售能力。
正如 20 世紀 80 年代革命性的 IGBT 技術(shù)，如今的寬帶半導體碳化硅(SiC)也越來越顯示出再次革新電力電子世界的希望。
以SiC為例對比前兩代半導體材料， ROHM半導體(上海)有限公司表示，SiC與Si相比，絕緣擊穿電場強度高約10倍，可達幾千伏特的高耐壓。另外Si在高耐壓化時導通電阻變大，為了改善這一現(xiàn)象，主要使用Si-IGBT，但存在開關(guān)損耗大的問題，而SiC單位面積的導通電阻非常低，可降低功率損耗，同時具有優(yōu)異的高速開關(guān)性能。
SiC在能源方面的優(yōu)勢
從目前寬禁帶半導體材料和器件的研究情況來看，研究重點多集中于碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)技術(shù)，其中SiC 技術(shù)最為成熟，研究進展也較快。
相對于硅，碳化硅的優(yōu)點很多：有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，用碳化硅制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場。42GHz頻率的SiC MESFET用在軍用相控陣雷達、通信廣播系統(tǒng)中，用碳化硅作為襯底的高亮度藍光LED是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。
而在應用領(lǐng)域，碳化硅有以下優(yōu)點：
1.SiC材料應用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積;
2.SiC材料應用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗20%;
3.SiC材料應用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%;
4.SiC材料應用在風力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%;
5.SiC材料應用在太陽能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上;
6.SiC材料應用在工業(yè)電機領(lǐng)域，可節(jié)能30%-50%;
7.SiC材料應用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上;
8.SiC材料應用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低;
9.SiC材料應用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性;
10.SiC材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設(shè)備的損耗減小30%-50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。
半導體廠商如何應對SiC趨勢
目前全球40%能量作為電能被消耗，而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導體功率器件。曾經(jīng)的“中流砥柱”Si功率器件已日趨其發(fā)展的材料極限，難以滿足當今社會發(fā)展對于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。以SiC為代表的第三代半導體材料憑借其優(yōu)異屬性，將成為突破口，正在迅速崛起。
為此，多家半導體廠商都開始從事SiC方面的相關(guān)研究，并推出了相應的產(chǎn)品。
以羅姆為例，2012年3月，羅姆成為世界首家開始量產(chǎn)內(nèi)置的功率半導體元件全部由碳化硅組成的全SiC功率模塊。
其后，相繼開發(fā)出直到1200V、300A額定電流的系列產(chǎn)品，在眾多領(lǐng)域中被廣為采用。在IGBT模塊市場，羅姆擁有覆蓋主要額定電流范圍100A到600A的全SiC模塊產(chǎn)品陣容。
2015年，羅姆又成為世界首家開發(fā)出采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET，并建立了完備的量產(chǎn)體制。據(jù)了解，同一芯片尺寸的導通電阻可降低50%，這將大幅降低太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗。
溝槽結(jié)構(gòu)因在SiC-MOSFET中采用可有效降低導通電阻而備受關(guān)注，但為了確保元器件的長期可靠性，需要設(shè)計能夠緩和Gate Trench部分產(chǎn)生的電場的結(jié)構(gòu)。
羅姆通過采用獨創(chuàng)的結(jié)構(gòu)，成功地解決了該課題，并世界首家實現(xiàn)了采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET的量產(chǎn)。
總結(jié)
縱觀全球功率器件市場，機遇與挑戰(zhàn)并存。全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。
未來，由半導體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件，因此半導體SiC功率器件也被業(yè)界譽為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟的“核芯”。
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