碳化硅功率半導體的案例
智芯研報 | 碳化硅功率器件發力電動飛機市場
SiC 能大大降低功率轉換中的開關損耗
SiC 更容易實現模塊的小型化、更耐高溫
碳化硅功率半導體器件相較于硅基功率器件優勢
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????????????碳化硅功率半導體器件產業鏈
碳化硅功率半導體器件從上個世紀70年代開始研發，經過30年的積累，于2001年開始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年開始商用碳化硅MOSFET器件，當前碳化硅IGBT器件還在研發當中。
碳化硅功率器件發展歷程
資料來源：太平洋證券
碳化硅功率器件整個生產過程大致如下圖所示，主要會分為碳化硅單晶生產、外延層生產、器件制造三大步驟，分別對應產業鏈的襯底、外延、器件和模組三大環節。
展開 [科普]新一代碳化硅材料汽車功率半導體
最近汽車半導體非常火熱，很多朋友特別感興趣新一代碳化硅材料汽車功率半導體。今天就和小星一起來聊一下碳化硅材料在汽車功率半導體和電動汽車當中的應用吧。
↑汽車功率半導體晶圓
什么是半導體
所謂半導體其實就是大家身邊電子設備里的集成電路芯片。那么說到芯片就要說一下它的基礎材料（襯底材料）。我們目前身邊最常看到的芯片，不管是手機處理器，還是電腦里的CPU。其使用的基礎材料都是硅Si。那么為什么要使用硅作為最常見半導體的基礎材料呢？
首先硅元素在地球上的儲量是非常大的，僅次于氧元素。其實說白了就是這些芯片都源自沙子（二氧化硅SiO2）。并且硅元素和大部分硅的穩定化合物都是無毒的。這樣對應硅的半導體工藝可以獲得更大的產量和良品率。同時生產過程中對人員和環境的保護也比較容易實現。
↑汽車功率半導體
另一非常重要的因素，硅的氧化物二氧化硅非常非常的穩定。二氧化硅可以很容易的在硅的基礎上通過半導體工藝氧化得到。這時候得到的不再是沙子，而是類似玻璃的均勻隔離層。既有良好的絕緣特性又可以很好的控制其尺寸和厚度。
那么為什么要重點控制其尺寸和厚度呢？因為二氧化硅材料就是用來制作大規模集成電路中基礎單元開關管MOSFET柵極的材料。平常芯片工藝說的是28nm或者22nm，這個非常非常小的納米級尺寸就是特征線寬。特征線寬的一個非常重要表征就是柵寬（柵極寬度）。
↑電動汽車水冷電機逆變器
電動汽車的功率電子
電動汽車中需要使用大量的功率電子器件。據豐田汽車統計，功率電子器件用量在電動汽車中占到所有半導體器件的25%。電動汽車上就有很多非常粗的橙色功率電纜，用鮮亮的顏色提醒需要謹防高壓。另一個是功率等級高了近50倍。這么高的功率等級使得功率控制器必須采用水冷冷卻才能正常工作。水冷的電機逆變器為了在內部流出水道體積非常大。
展開 功率半導體組件的主流爭霸戰 —— 硅、碳化硅、氮化鎵的三角習題
Model 3驅動逆變器（Traction Inverter）部分舍棄傳統絕緣柵雙極晶體管（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET），開啟全球第三類半導體擴產潮。至于氮化鎵（GaN）功率組件市場則由消費性產品（如手機快充）、電信/通訊（如數據中心、太空衛星通訊）及汽車產業（如電動車內較小電壓的DC-DC converter）所帶動。
Yole Developpement研究機構報告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導體材料的市場規模成長至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導體市場規模達11億美元。預估2027年碳化硅（SiC）功率組件市場規模可達63億美元，氮化鎵（GaN）功率組件市場可達20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率組件市場的復合年成長率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率組件市場的復合年成長率（CAGR）為34%。除了消費性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率組件，氮化鎵（GaN）功率組件導入數據中心、電信設備電源的速度也愈來愈快。
圖二 : 碳化硅功率半導體材料的市場規模預估。（source: Yole Developpemen）
圖三 : 氮化鎵功率半導體材料的市場規模預估。
展開 東洋炭素擴大半導體基礎材料產能，追加日美工廠投資
據日本矢野經濟研究所（總部：日本東京中野）預測，到2030年，碳化硅功率半導體市場規模有望增至64億5000萬美元（約人民幣451.5億元），為2022年的4倍多。
技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。
半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，并逐步進入應用量產階段。
SiC功率器件性能優勢
SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：
(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，從而減少高功率器件損耗；
(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；
(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；
(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用于大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。
展開 昭和電工/羅姆/富士電機等日本企業大力發展高性能SiC功率半導體
CINNO Research產業資訊，根據日媒株式會社QUICK報道，生產生活中日益加速的數字化和去碳化發展，引發生產生活在向可再生能源方向轉換，促進了節能及電力控制關鍵的功率半導體需求快速增長。隨著這種需求增長，半導體制造商加大了對技術研發和大規模生產的投資。
數字化轉型和去碳化發展趨勢造成對下一代化合物半導體的期望值升高
功率半導體使用的主要材料是硅，與存儲器等數字半導體使用的材料相同。然而，最近隨著電動汽車（EV）和可再生能源的普及，人們對高效節能的下一代化合物功率半導體的關注度不斷升高，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等。
日本政府的目標是到2050年實現溫室氣體排放為零的"碳中和"。在實現碳中和的綠色發展戰略中，日本政府將化合物功率半導體作為具有去碳化潛力的產品而納入促進投資稅計劃之中，該項計劃旨在鼓勵企業投資去碳化產業。
具有高效節能、耐高電壓和耐高溫等特點的SiC（碳化硅）
SiC是一種由硅（Si）和碳（C）組成的化合物半導體材料。SiC的介電擊穿場強即材料對電壓擊穿的抵抗力比硅高10倍，可以承受600～數千伏特的高電壓。此外SiC還具有高耐熱性，即使在高溫環境下，其電力轉換效率也幾乎不會降低。
展開 PPT | 碳化硅功率半導體在中壓配電網中的應用
主要研究領域為大容量電力電子技術、高性能并網變換器、寬禁帶半導體器件應用技術。姬世奇博士于2015年至2020年于美國田納西大學工作，擔任研究助理教授。作為關鍵技術人員參與國家重點研發計劃1項、美國能源部支持項目4項（經費約800萬美元），研制了國際上首臺基于高壓碳化硅的光伏逆變器和異步微網接口變換器、以及用于中壓配電網的大容量多端口電能路由器。作為技術負責人參與的項目獲得美國能源部Power America項目最高評審獎。姬世奇博士與包括GE、Danfoss、Cree等電力電子領域國內外知名企業有良好的合作關系。在頂級期刊及會議發表學術論文50余篇，其中SCI收錄10余篇，獲得IEEE ICEMS、IPEMC等國際會議最佳論文獎，獲得2021年日內瓦國際發明特別金獎。在國際期刊與國際會議中擔任期刊編委、技術委員會委員等職務。姬世奇博士于2010年和2015年獲得清華大學學士和博士學位。
來源：IN-SEMI
展開 SiC功率半導體產業高峰論壇成功舉辦
第
三代半導體產業技術創新戰略聯盟副秘書長趙璐冰指出，在建立協同創新的產業體系和生態愿景方面，要建立明確的目標、權責清晰、體系化任務型的產學研創新聯合體，加快迭代研發，打通產業鏈條，實現核心關鍵產品國產替代，推動產業整體達到國際先進水平。建設開放、高水平的專業化國家級平臺，加強基礎材料、設計、工藝、裝備、封測、標準等國家體系化能力建設。探索構建科技金融網鏈，下游反哺上游方式帶動社會資本，探索平臺+孵化器+基金+基地以及大中小企業融通發展的合作新模式。加強精準的國際與區域合作，推進政府間合作框架下的項目合作與平臺建設，開展常態化海外項目輸送與技術轉移。
北京國聯萬眾半導體科技有限公司市場部部長王永維在報告中講到碳化硅電力電子器件需求及技術挑戰的三項共同目標，要更好的保護柵極，提高柵氧可靠性；提高器件電流密度，縮減芯片面積，降低成本；提高SiC MOSFET性能。同時指出目前SiC器件已經具備規模在新能源汽車中使用的條件。
北京智慧能源研究院功率半導體研究所副總工程師楊霏圍繞“高壓大功率碳化硅器件及其應用基礎理論研究”和“高壓大功率碳化硅MODFET及其在電力電子變壓器中的示范應用”兩大項目主題作了詳細匯報，傳統電網正向以電力電子技術廣泛應用為代表的智能電網方向發展,亟需提升器件的耐壓,通流能力和開關速度,并降低損耗.電力電子變壓器是未來智能電網核心設備之一,目前基于硅器件的電力電子變壓器體積大,損耗高,重量大,無法推廣應用。碳化硅器件具有電壓等級高,通流能力強,頻率高,損耗低等優勢,可以大幅減小設備體積與重量,降低損耗.碳化硅器件將是電力電子變壓器首選功率器件,高壓大功率碳化硅材料及器件的實用化將決定電力電子變壓器的發展未來。
展開 REASUNOS瑞森半導體碳化硅二極管在大功率電源上的應用
四、碳化硅二極管產品優勢
瑞森半導體-碳化硅二極管(SiC SBD)產品優勢：
1、極小的反向恢復電流，降低開關損耗；
2、低VF值，高浪涌電流能量；
3、更高頻率的運行，能讓被動元器件做得更小；
4、具有很高的抗輻射能力；
5、軍工民用考核標準：GJB 7400-2011，器件參數一致性好。
五、推薦選型表
大功率電源PFC線路上主推碳化硅二極管(SiC SBD)
推薦如下產品選型表：
資訊 | SK：投資7000億！建SiC晶圓廠！
SK集團將在碳化硅（SiC）半導體晶圓業務上投資7000億韓元，以期到2025年成為世界高科技材料市場第一的參與者。
該集團的控股公司 SK Inc. 最近宣布，到 2025 年將在高科技材料上投資 5.1 萬億韓元。其中 7000 億韓元將投資于 SiC 晶圓。該公司計劃再投資 3000 億韓元用于 GaN 功率半導體。
SK Inc. 預計 2021 年其 SiC 晶圓業務的銷售額將達到 300 億韓元，并計劃到 2025 年將其擴大到 5000 億韓元。目前，該業務不賺錢，但目標是在2025年實現盈利。
碳化硅晶圓是電動汽車、5G網絡設備和太陽能發電機的功率半導體不可或缺的一部分。它們比硅 (Si) 晶圓更耐高壓和耐熱，有助于使半導體芯片更小。
碳化硅半導體可以承受比其他半導體高10倍的電壓并在400攝氏度下運行，而硅半導體最多可以承受175攝氏度。它們不僅堅固，而且它們的尺寸可以縮小到硅半導體的十分之一。SK Siltron 的 SiC 晶圓將功率損耗降低了 77%，并將重量和體積降低了 40%。
SK Inc.和SK Siltron正密切關注電動汽車用碳化硅功率半導體市場。2018年，特斯拉在汽車行業首次將意法半導體的碳化硅功率芯片裝入Model 3，開創了碳化硅功率半導體市場。此后，已有 20 多家汽車制造商采用了 SiC 功率半導體。
展開 大硅片、光刻膠、FMM等8大高度依賴進口的半導體材料大解析
二 光刻膠
光刻膠是微電子技術中微細圖形加工的關鍵材料之一，其成本約占整個芯片制造工藝的30%，耗費時間約占整個芯片制造工藝的40%-60%，是半導體制造中最核心的工藝。
目前國內光刻膠自給率僅10%，主要集中于技術含量相對較低的PCB領域。6英寸硅片的g/i線光刻膠的自給率約為20%，8英寸硅片的KrF光刻膠的自給率不足5%，12寸硅片的ArF光刻膠目前尚無國內企業可以大規模生產。
三 高純濺射靶材
利用離子源產生的離子轟擊固體表面，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面，被轟擊的固體稱為濺射靶材,是集成電路制造過程中的關鍵材料，根據應用領域，分為半導體靶材、面板靶材、光伏靶材等。高純濺射靶材制造環節技術門檻高、設備投資大，在濺射靶材產業鏈各環節的企業數量呈現金字塔型分布，半導體濺射靶材行業集中度很高，前五大廠商占比超過80%。具有規模化生產能力的企業數量相對較少，主要分布在美國、日本等國家和地區。
四 碳化硅單晶
碳化硅功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。碳化硅單晶是碳化硅功率半導體技術和產業的基礎，質量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術發展首要解決的問題，持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度
（微管、位錯、層錯等）
是其重點發展方向。
碳化硅單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種,是第三代半導體材料技術成熟度最高的材料，目前基本被國外企業壟斷。
高導通型襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材。半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯，傳感感應器件上具備廣闊的應用空間。
展開 
用核反應堆造SiC？一次產1000片？
由于碳化硅的鍵強度高，雜質擴散所要求的溫度(＞1800℃)大大超過硅器件工藝，層間介質和柵極氧化層(SiO
2
，Si
3
N
4
)等不能承受這么高的溫度，所以器件制作工藝中的摻雜不能采用擴散工藝，只能利用
外延控制摻雜
和
高溫離子注入摻雜
。
常規的離子注入很難提高SiC摻雜的均勻性，KAERI認為唯一可行的方法就是
中子摻雜
。
簡單來說，中子嬗變摻雜（NTD）是通過將中子照射到
碳化硅單晶（錠）
上，并將極少量的原子核轉化為磷（P）來制造半導體的原理。
SiC材料的中子嬗變摻雜原理。原子能研究所提供
與直接添加磷的一般化學工藝相比，磷分布更均勻。由于這些優點，NTD主要用于生產控制
高電壓
和
大電流
的超高質量
功率半導體器件
。
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與常規方法相比，這種摻雜方法的優點是
摻雜均勻
、
精確度高
，可控制摻雜量（電阻率）。
常規摻雜（上）與NTD摻雜（下）
據介紹，KAERI 的核反應堆 (HANARO) 在反射器區域有2個垂直照射孔NTD1和NTD2，這是他們實現
硅和碳化硅中子嬗變摻雜
(NTD) 的設施。
除了碳化硅晶片NTD摻雜外，KERI在
碳化硅器件
的開發方面也非常有經驗。
2015年12月，KERI宣布開發出
碳化硅功率半導體器件
，并與Maple半導體簽訂了技術轉讓合同。
2021年4月21日，KERI與YES Power Technix達成技術轉讓協議，以1163萬人民幣將
SiC MOSFET（溝槽結構）技術
轉讓給后者。
展開 日本高鳥研發出新型碳化硅功率半導體方向的切割設備，可用于10吋晶圓
CINNO Research產業資訊，日本半導體材料加工設備廠商高鳥株式會社（Takatori，以下簡稱為“高鳥”）近日推出了一款用于切割功率半導體方向碳化硅（SiC）晶圓的新型切割設備。該設備不僅支持切割當下主流的直徑為6吋（約15厘米）的晶圓，還可用于切割10吋晶圓（約25厘米），可顯著提升半導體芯片的生產效率。
新型多線切割設備可切割直徑為10吋的晶圓
與硅基功率半導體相比，碳化硅材料功耗更低，預計在電動汽車（EV）等方向的需求有望進一步增長。晶圓尺寸越大，可以切割出的芯片數量就越多，因此晶圓廠家紛紛致力于向大尺寸晶圓“邁進”，如今已經從6吋向8吋（為6吋的1.8倍）過渡。
在碳化硅生產流程中，碳化硅襯底制備是最核心環節，技術壁壘高，難點主要在于晶體生長和切割。單晶生長后，將生長出的晶體切成片狀，由于碳化硅的莫氏硬度為9.2，僅次于金剛石，屬于高硬脆性材料，因此切割過程耗時久，易裂片。實現切割損耗小、并且切割出厚度均勻、翹曲度小的高質量SiC晶片是目前面臨的重要技術難點。
20 世紀 80 年代以前，高硬脆材料一般采用涂有金剛石微粉的內圓鋸進行切割。由于內圓鋸切割的切縫大、材料損耗多，且對高硬脆材料的切割尺寸有限制，從 20 世紀 90 年代中期開始，切縫窄、切割厚度均勻且翹曲度較低的線鋸切割方式逐步發展起來。線鋸切割以鋼線做刃具，主要分為游離磨料（砂漿線切割）和固結磨料切割（金剛石線鋸切割技術）兩類。
目前，碳化硅晶棒的切割技術有：金剛石線切割（固結磨料線鋸切割）、砂漿線切割（游離磨料線鋸切割）、激光切割。線鋸切割技術成熟，是主流切割技術。
高鳥家為砂漿線切割工藝，此次研發的多線切割設備（Multi Wire Saw）可以從直徑為10吋的硅棒（Ingot）上同時切割出多片晶圓。
展開 300mm晶圓，3萬顆/片！走進博世耗資10億歐元的德累斯頓晶圓廠一探究竟！（含視頻）
從產品角度來看，目前，博世在半導體領域主要有三大類產品：
一是MEMS，這也是目前博世出貨量最多的一款產品，包括慣性、角速度、壓力傳感器，可以用在消費領域和汽車領域；
二是集成電路，也就是我們說的IC（integrated circuit）或者是ASICS，是專用系統芯片和傳感器，用在特定的汽車應用中。目前為止，這部分的產品主要還是對內使用；
三是功率半導體，它包括傳統硅基的IGBT和碳化硅功率半導體，前者主要打包成系統產品對外出售，后者則是計劃會直接對外銷售。
從生產線的角度來說，最開始的6英寸的晶圓片，逐步發展到8英寸，以及2010年的時候，8英寸開始落地生產，2018年在德國德累斯頓，開始12英寸晶圓片的生產。
根據Strategy Analytics的數據，博世居于2019年全球汽車傳感器市場的首位，拿到了14.1%的市場份額；另在功率半導體市場里排名第三，占比9.1%。
博世想要強化其在汽車半導體領域中的地位，那么布局碳化硅功率半導體就成必然。因為這是電動車的技術趨勢。電動車需要更長的續航、更大的電池電壓和更快的充電速度，現在的IGBT無法滿足，只有碳化硅可以滿足以上需求。
博世于2019年10月正式宣布開展碳化硅的相關業務，并在第一家晶圓廠——德國羅伊特林根建設一條車規級生產線。預計裸芯片會在2021年的年底上市，分立器件MOSFET大概會在2022年初上市。這兩種產品都將基于對客戶的需求進行匹配。
展開 羅姆大目標：全球碳化硅市占率30%！底氣來自哪里？
投資38億，產能擴5倍
碳化硅目標：市占率30%
羅姆的增長主要策略是加快資本投資和并購，以捕獲強勁的半導體需求，同時“兩手都要抓”——
占領車載市場和擴大海外市場
。
占領車載市場方面，碳化硅將是羅姆重要“武器”。
2021年1月份，羅姆曾表示，他們在全球碳化硅功率半導體市場占有2成份額，可與英飛凌科技、意法半導體比肩。
未來5年，羅姆打算提高產能，把全球市占率提高到3成，這是松本功的另一個“雙30%”目標。
羅姆財報提到，為了提高SiC功率器件的生產能力，它們在ROHM Apollo筑后工廠完成了新生產廠房的建設。
“三代半風向”此前報道也提到，羅姆新工廠將于2022年正式投入運營，2025年3月前羅姆計劃對該工廠累計投資35.8億人民幣，將SiC產能擴增至2016年度的16倍，其中新能源汽車SiC功率半導體產能將是目前的5倍（.點這里.）。
在擴大海外市場方面，羅姆目前也取得了成效。
2020年1月，意法半導體與羅姆子公司SiCrystal簽署合同，碳化硅采購金額高達7.75億人民幣。
據介紹，羅姆的德國子公司生產的部分半導體材料已用在美國特斯拉的主要逆變器上，還確定向德國大陸（Continental）的子公司緯湃科技供應碳化硅功率半導體。預計歐洲整車廠商還會采用羅姆的產品，松本功認為，自2023年后，其碳化硅產品將在量產車上全面采用。
另外，在電驅動領域，羅姆與北汽新能源、臻驅科技分別建立SiC技術聯合實驗室。聯合實驗室使用羅姆的SiC功率元器件等產品，聯合開發用于EV驅動單元的逆變器和用于EV的高性能模塊等。
同時，據羅姆公司透露，其2020年6月發布的“1200V第四代SiC-MOSFET”，已經有超過30家公司詢價。
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