受材料特性所限，硅器件各方面的性能已經(jīng)接近理論極限，此背景下，寬禁帶半導體材料的應用受到關(guān)注。這類(lèi)材料中，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的發(fā)展相對更成熟，氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等材料的研究尚在起步階段。隨著(zhù)新能源汽車(chē)的普及和5G的商用，廠(chǎng)商針對SiC或GaN做了新的布局。

新能源車(chē)帶動(dòng)SiC市場(chǎng)

目前，車(chē)用功率模塊的主流材料是IGBT。據了解，IGBT的成本約占驅動(dòng)系統成本的一半，電機驅動(dòng)系統約占全車(chē)成本15%-20%，因此IGBT在一輛電動(dòng)汽車(chē)中約占8%-10%的成本。據德勤預測，2020年全球新能源車(chē)銷(xiāo)量將達到400萬(wàn)輛，2025年達到1200萬(wàn)輛，2030年達到2100萬(wàn)輛。由此可知，未來(lái)十年內車(chē)規級功率器件將有更大的空間。

值得注意的是，IGBT的下一代SiC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角。SiC能將新能源汽車(chē)的效率再提高10%，使用SiC工藝生產(chǎn)的功率器件的導通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，并可耐受更高的環(huán)境溫度。為此，全球領(lǐng)頭廠(chǎng)商均發(fā)力車(chē)規級SiC。

·各廠(chǎng)商SiC技術(shù)布局情況

羅姆半導體（北京）有限公司設計中心所長(cháng)水原德健對

羅姆半導體（北京）有限公司設計中心所長(cháng)水原德健對《國際電子商情》分析師透露，羅姆已經(jīng)在SiC生產(chǎn)中確立了垂直統合生產(chǎn)體制。2009年，該公司收購了德國單晶晶圓制造商SiCrystal，構建起從SiC原材料到晶體生長(cháng)、晶圓加工、檢測的晶圓一條龍生產(chǎn)體制。2010年，羅姆開(kāi)始量產(chǎn)SiC功率元器件，現在主要有SiC-SBD、SiC-MOSFET和全SiC功率模塊系列產(chǎn)品。

2018年，汽車(chē)電子和工業(yè)設備約占羅姆整體營(yíng)收的48%。預計到2020年，這兩個(gè)業(yè)務(wù)將占全部營(yíng)收的51%。根據規劃，羅姆專(zhuān)注的三大產(chǎn)品群分別是大功率產(chǎn)品、模擬、標準產(chǎn)品。

意法半導體新材料和電源解決方案部創(chuàng )新和關(guān)鍵項目戰略營(yíng)銷(xiāo)總監Filippo Di Giovanni

意法半導體新材料和電源解決方案部創(chuàng )新和關(guān)鍵項目戰略營(yíng)銷(xiāo)總監Filippo Di Giovanni介紹，“在SiC器件市場(chǎng)保持領(lǐng)先地位”已經(jīng)成為ST公司的宏偉目標。為了實(shí)現這一目標，ST采取了一系列措施，其中包括：與Cree達成長(cháng)期晶圓供應協(xié)議，收購S(chǎng)iC晶圓制造商Norstel AB的多數股權，與學(xué)術(shù)機構簽訂多項合作協(xié)議等等。他還稱(chēng)，ST將繼續在工業(yè)市場(chǎng)等領(lǐng)域開(kāi)拓市場(chǎng)及發(fā)展業(yè)務(wù)。

ST 2018年年報顯示，去年該公司約有30%的業(yè)績(jì)歸屬為汽車(chē)應用。此外，ST總裁兼首席執行官Jean-Marc Chery曾多次強調，ST在SiC器件方面的目標是，隨著(zhù)SiC市場(chǎng)走向成熟，市場(chǎng)份額要達到30％，在這個(gè)2025年預計市場(chǎng)總量超過(guò)30億美元的市場(chǎng)上繼續保持領(lǐng)先地位。

2018年5月，Microchip完成了對Microsemi的收購，以此獲得了30多年的SiC分立式電源產(chǎn)品的經(jīng)驗。

Microchip分立器件及電源管理業(yè)務(wù)部策略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Orlando Esparza介紹， Microchip在整合SiC產(chǎn)品組合、單片機/模擬解決方案產(chǎn)品組合方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展?！癕icrochip希望通過(guò)對SiC產(chǎn)品的布局，來(lái)順利進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)?！彼硎?。

Microchip是寬帶隙計劃Power America的成員，該組織的成員有美國國家實(shí)驗室、高等院校、知名半導體供應商和行業(yè)供應商。在組織的幫助下，Microchip與各成員建立起密切的聯(lián)系，助力其SiC解決方案的研發(fā)和推廣。

·降低成本，減少電磁干擾

在電動(dòng)汽車(chē)中，車(chē)載充電器、DC/DC轉換器、主逆變器和電動(dòng)壓縮機對功率電子器件要求較高，需要IGBT或SiC功率器件。SiC雖然擁有諸多優(yōu)勢，但是其發(fā)展也受價(jià)格高昂、電磁干擾等缺點(diǎn)的限制。

此前，SiC受限于缺少合適的襯底材料而無(wú)法量產(chǎn)。直到上個(gè)世紀70年代末，一種生長(cháng)大面積 SiC襯底的方法研制成功，不過(guò)這種襯底存在微管缺陷的毛病。微管缺陷限制了每張晶片上器件的良品率，影響著(zhù)每個(gè)器件的性能參數，還限制了SiC基板的芯片尺寸，導致難以制造出大面積的SiC器件，相應地也造成SiC器件的成本過(guò)高。

在降成本方面，羅姆的舉措較為突出。該公司致力于晶圓的大口徑化，先一步導入六英寸的SiC產(chǎn)線(xiàn)后，通過(guò)增加晶圓面積來(lái)提升SiC功率元器件的產(chǎn)能。為了進(jìn)一步強化產(chǎn)能，羅姆在日本福岡縣筑后工廠(chǎng)投建新廠(chǎng)房。該廠(chǎng)房總建筑面積約為11,000㎡，將于2020年竣工。

由于SiC的開(kāi)關(guān)頻率遠高于傳統Si型IGBT，其回路寄生參數無(wú)法忽略，導致電磁干擾的情況發(fā)生。如何盡可能地減輕甚至消滅電磁干擾，一直是廠(chǎng)商關(guān)注的重點(diǎn)。SiC基板是減輕電磁干擾的關(guān)鍵，Cree集團旗下電源和RF部門(mén)（Wolfspeed）的核心就是SiC基板技術(shù)，在業(yè)界較有名氣。為了向客戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的SiC器件，ST與Cree達成了一項2.5億美元的長(cháng)期晶圓供應協(xié)議，希望通過(guò)雙方的合作產(chǎn)出更好的SiC器件。

·SiC不會(huì )完全取代IGBT、MOSFET

SiC能夠產(chǎn)生正經(jīng)濟效益的時(shí)間點(diǎn)，將是它能夠得以普及的分水嶺。業(yè)界對于SiC未來(lái)是否會(huì )取代IGBT、MOSFET持有不同的觀(guān)點(diǎn)。Filippo Di Giovanni 認為，SiC不會(huì )完全取代IGBT或MOSFET。

“我們非?？春肧iC，不過(guò)需要明確的是，SiC不會(huì )完全取代IGBT或MOSFET。對SiC的追求并不代表ST放棄了其他功率器件，現在ST公司仍在投資IGBT及MOSFET，因為這些技術(shù)產(chǎn)品在開(kāi)關(guān)特性、功耗和成本方面各不相同，所以每一種產(chǎn)品都有適合的應用領(lǐng)域?！彼硎?。

5G商用將帶動(dòng)GaN發(fā)展

實(shí)際上，同為寬禁帶半導體的GaN和SiC在應用優(yōu)勢上可以互補。SiC適用于1200V以上的高電壓、大電流的領(lǐng)域，GaN更偏向于高頻、小電流領(lǐng)域。在5G時(shí)代，GaN將有更好的發(fā)展空間。

·當前GaN的市場(chǎng)規模小于SiC

拓墣產(chǎn)業(yè)研究院估計，2018年全球SiC基板產(chǎn)值將達1.8億美元，而GaN基板產(chǎn)值僅約3百萬(wàn)美元。另外，Yole的數據顯示，2021年全球SiC市場(chǎng)規模將上漲到5.5億美元，2016-2021年的CAGR（復合年增長(cháng)率）為19%，而GaN功率器件在2016-2021年的CAGR為86%，市場(chǎng)將達到3億美元。當前，GaN的市場(chǎng)規模明顯小于SiC。

Filippo Di Giovanni 解釋稱(chēng)，以前增強型開(kāi)關(guān)、耗盡型晶體管常與低壓MOSFET串聯(lián)使用。由于在同一封裝內增加了一個(gè)芯片，也增加了封裝的復雜性，市場(chǎng)對該類(lèi)解決方案的熱情并不高?！皞鹘y封裝方式使得芯片尺寸較大、寄生電感也較多，導致GaN開(kāi)關(guān)的潛在高頻優(yōu)勢被減弱。另外，與結型場(chǎng)效應晶體管類(lèi)似，GaN技術(shù)是橫向結構，在高壓處理能力上，很難媲美縱向結構的SiC MOSFET?！?/span>

Microchip分立器件及電源管理業(yè)務(wù)部策略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Orlando Esparza

Orlando Esparza補充說(shuō)，SiC材料的歷史更悠久，GaN器件是高電子遷移率晶體管（HEMT），用于電源切換的HEMT是一種更新的技術(shù)，且該器件不在天然GaN基板上制造，帶來(lái)了額外的復雜性。同時(shí)，GaN在可靠性、散熱和成本等方面也存在問(wèn)題。

針對SiC 和GaN 的應用場(chǎng)景，他也做了介紹，當電壓小于600V，對雪崩穩健性不做要求，且其他可靠性問(wèn)題都得以解決，則可以選用GaN解決方案。SiC則適用于電壓大于600V的任何場(chǎng)景，其性能明顯優(yōu)于Si且能夠可靠匹配。

水原德健強調，GaN作為SiC功率元器件的補充產(chǎn)品，未來(lái)有望得到進(jìn)一步普及，GaN的高頻特性將促使其在低耐壓領(lǐng)域有廣泛地應用。

·5G射頻提升對GaN的需求

GaN材料本身存在的不足，如低電場(chǎng)遷移率低、高頻性能差、以異質(zhì)外延技術(shù)生長(cháng)出的GaN單晶品質(zhì)還不夠好，在很大程度上限制了其應用。不過(guò)，即將大規模商用的5G將為GaN帶來(lái)較大的機遇，尤其是射頻方面，對GaN器件需求將非常旺盛。

2018年，羅姆與GaN Systems在GaN功率器件事業(yè)展開(kāi)了合作。利用GaN Systems的GaNPXTM封裝技術(shù)和羅姆的功率元器件傳統封裝技術(shù)，雙方將聯(lián)合開(kāi)發(fā)GaN器件產(chǎn)品，挖掘其潛力。同時(shí)，雙方還將推進(jìn)GaN功率器件的研發(fā)活動(dòng)，面向工業(yè)設備、汽車(chē)及家電領(lǐng)域發(fā)布新產(chǎn)品。

ST看好硅基的發(fā)展。在射頻產(chǎn)品方面，ST與MACOM建立了合作關(guān)系，并簽署了技術(shù)許可協(xié)議，授權ST在手機、無(wú)線(xiàn)基站和相關(guān)商用電信基礎設施以外的射頻市場(chǎng)上制造、銷(xiāo)售硅基GaN產(chǎn)品；在功率轉換應用領(lǐng)域，ST與CEA-LETI建立了合作關(guān)系，將重點(diǎn)在8英寸晶圓上開(kāi)發(fā)和驗證制造先進(jìn)硅基GaN架構的功率二極體和電晶體。

當下仍有95%的半導體器件和99%以上的集成電路采用Si材料，在半導體產(chǎn)業(yè)中SiC和GaN的使用量還很少。據預測，到2024年，第三代半導體功率電子的滲透率將達到13%。SiC和GaN以及其他寬禁帶半導體材料仍有很長(cháng)的路要走。