行業(yè)巨頭加緊布局 SiC時(shí)代已經(jīng)到來(lái)

隨著人口激增加之城市化進(jìn)程加快，氣候及資源緊缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻。與此同時(shí)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來(lái)更大的運(yùn)算量和數(shù)據(jù)處理。更加高效地利用能源成為社會(huì)發(fā)展的迫切需求。

正因?yàn)榇?，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體大功率電力電子器件成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的方向。據(jù)了解，SiC材料具有眾多優(yōu)異的物理性質(zhì)，如禁帶寬度大（接近于Si的3倍）、器件極限工作溫度高（可以高達(dá)600℃）、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大（是Si的10倍）、熱導(dǎo)率高（超過(guò)Si的3倍）等，被認(rèn)為是用于高電壓、高頻率功率器件的理想材料。

行業(yè)巨頭加緊布局 SiC時(shí)代已經(jīng)到來(lái)

雖然擁有眾多優(yōu)勢(shì)，但是SiC材料并不是一項(xiàng)全新技術(shù)。其實(shí)早在20世紀(jì)60年代SiC器件已經(jīng)引起了人們的興趣。相對(duì)于Si基半導(dǎo)體材料成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，SiC材料產(chǎn)業(yè)鏈需要全新的布局，在外延生長(zhǎng)、生產(chǎn)設(shè)備、可靠性、缺陷密度、成本等方面都面臨著巨大挑戰(zhàn)，這也是SiC并未大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。

自2016年以來(lái)，業(yè)內(nèi)關(guān)于SiC材料的討論又迎來(lái)了新一輪高潮。

從技術(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)看，以英飛凌、科銳、羅姆、意法半導(dǎo)體等為代表的企業(yè)已經(jīng)先后解決SiC器件良率問(wèn)題，并成功推出了各類(lèi)器件及模塊，并在光伏及電源領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。

在產(chǎn)能方面，包括科銳、新日鐵住金、SiCrystal等上游晶圓供應(yīng)商，在2014年先后實(shí)現(xiàn)了6英寸晶圓量產(chǎn)供貨?；诰A外延工藝的持續(xù)改進(jìn)，加之6英寸上游晶圓開(kāi)始放量供貨，為SiC器件的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在企業(yè)布局方面，2016年英飛凌以8.5億美元收購(gòu)了總部位于美國(guó)北卡羅萊納州的Cree公司旗下wolfspeed資產(chǎn)。wolfspeed是業(yè)內(nèi)唯一可以提供SiC功率和GaN射頻方案最廣泛產(chǎn)品線的公司。通過(guò)此次收購(gòu)，英飛凌進(jìn)一步完善了在SiC技術(shù)方面布局。另一方面，英飛凌與科銳已經(jīng)簽署戰(zhàn)略性長(zhǎng)期供貨協(xié)議，保證了SiC器件上游晶圓產(chǎn)能供應(yīng)。目前，已經(jīng)推出CoolSiC? MOSFET、CoolSiC? 肖特基二極管、CoolSiC?MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品。

基于技術(shù)和產(chǎn)能方面不斷提升，英飛凌科技（中國(guó)）有限公司大中華區(qū)工業(yè)功率控制事業(yè)部副總裁于代輝認(rèn)為：“SiC時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，這是非?？隙ǖ?。憑借15年以上的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，英飛凌致力于和產(chǎn)業(yè)鏈伙伴一起推進(jìn)SiC器件普及應(yīng)用?！?/p>

“在經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展之后，IGBT器件已經(jīng)難有質(zhì)的飛躍，SiC器件將是必然方向”。于代輝進(jìn)一步表示：“據(jù)行業(yè)研究公司Yole數(shù)據(jù)顯示，2022年全球SiC市場(chǎng)將突破10億美元。雖然說(shuō)市場(chǎng)總量并不大，但是SiC器件在未來(lái)具有很大的應(yīng)用空間，比如高鐵、智能電網(wǎng)、風(fēng)電等領(lǐng)域。”

應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展 成本仍是一道坎

在下游應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的光伏逆變器普遍采用IGBT器件。但由于拖尾電流的影響，且開(kāi)關(guān)頻率難于提升。為此，采用SiC材料的MOSFET器件率先在光伏逆變器領(lǐng)域打開(kāi)局面。由于SiC器件漏電流小，高溫耐受能力更強(qiáng)，可大幅度降低散熱器體積和重量，提升功率密度，從而降光伏低逆變器成本。

英飛凌科技（香港）有限公司馬國(guó)偉博士認(rèn)為，SiC器件之所以在光伏逆變器領(lǐng)域成功應(yīng)用，最主要的原因在于IGBT器件已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，廠商必然會(huì)過(guò)渡到SiC器件。而在其他應(yīng)用領(lǐng)域，SiC器件成本問(wèn)題仍然是客戶(hù)考慮的重要因素，比如UPS/SMPS領(lǐng)域，其對(duì)于器件成本相比比較敏感。

對(duì)此，于代輝也進(jìn)一步解釋道：“SiC器件的推廣普及需要綜合考慮效率及成本問(wèn)題。雖然但從價(jià)格方面來(lái)看，SiC器件成本普遍要高3-5倍。但是，SiC器件能夠大幅度降低相關(guān)器件的需求量及體積，從而大幅度降低系統(tǒng)成本。因此，SiC器件成本并不是簡(jiǎn)單的價(jià)格問(wèn)題。在市場(chǎng)推廣過(guò)程中，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游積極配合。”

目前，SiC器件已經(jīng)在光伏逆變器領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用，并逐漸向UPS/SMPS領(lǐng)域推廣應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)充電樁將成為下一個(gè)重要應(yīng)用方向。未來(lái)將在牽引、電動(dòng)車(chē)輛及電動(dòng)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

由于我國(guó)正成為電動(dòng)汽車(chē)全球主要制造國(guó)及消費(fèi)國(guó)，SiC器件需求量將大幅提升。為此，英飛凌也進(jìn)一步加大中國(guó)市場(chǎng)的布局。對(duì)此，于代輝認(rèn)為：“中國(guó)制造2025戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，大幅度推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，這也為SiC器件應(yīng)用帶來(lái)了全新機(jī)遇?！?/p>

我國(guó)正加緊布局 還有一定的差距

“相對(duì)于傳統(tǒng)的Si器件，在SiC器件方面新入局者仍有一定機(jī)會(huì)”。馬國(guó)偉博士認(rèn)為：“雖然說(shuō)SiC器件已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，對(duì)于大家來(lái)說(shuō)機(jī)會(huì)都是均等的?！?/p>

目前，在以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料研究和部署方面，美、日、歐仍處于世界領(lǐng)先地位。由于其未來(lái)戰(zhàn)略意義，我國(guó)對(duì)于第三代半導(dǎo)體材料器件研發(fā)正進(jìn)行針對(duì)性規(guī)劃和布局。其中“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中也將其作為重點(diǎn)突破方向。

與此同時(shí)，2016年“高壓大功率SiC材料、器件及其在電力電子變壓器中的應(yīng)用示范”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)啟動(dòng)，旨在開(kāi)展高壓大容量SiC 功率器件和模塊封裝關(guān)鍵技術(shù)等五方面的研究，其中6500V/400A SiC模塊以及相應(yīng)電力電子變壓器在國(guó)際尚無(wú)研發(fā)先例。項(xiàng)目的順利實(shí)施將使我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)碳化硅材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，占領(lǐng)國(guó)際制高點(diǎn)，對(duì)于推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，保障我國(guó)能源安全和推進(jìn)全球能源互聯(lián)網(wǎng)具有重大意義。另外，福建、廣東、江蘇、北京、青海等27個(gè)地區(qū)都出臺(tái)了第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策。

近期，在國(guó)家863計(jì)劃支持下，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所牽頭的課題組成功研制出適用于4-6英寸SiC材料及器件制造的高溫高能離子注入機(jī)、單晶生長(zhǎng)爐、外延生長(zhǎng)爐等關(guān)鍵裝備并實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用。

但從技術(shù)方面來(lái)看，我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平仍有一定的差距。在長(zhǎng)晶工藝方面，我國(guó)4英寸SiC單晶產(chǎn)品仍未達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)第三代半導(dǎo)體電力電子器件仍主要依賴(lài)于進(jìn)口。