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，并成為半導體技術研究前沿和產業(yè)競爭焦點。
作為電力電子器件，SiC器件在低壓領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。但在高壓領域，如高速列車、風力發(fā)電以及智能電網等，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域擁有SiC、GaN相關產品的生產、設計、制造和銷售能力。
正如 20 世紀 80 年代革命性的 IGBT 技術，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，為了改善這一現象，主要使用Si-IGBT，但存在開關損耗大的問題，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，其中SiC 技術最為成熟，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鍵器件。
而在應用領域，碳化硅有以下優(yōu)點：
1.SiC材料應用在高鐵領域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統體積;
2.SiC材料應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%;
3.SiC材料應用在家電領域，可節(jié)能50%;
4.SiC材料應用在風力發(fā)電領域，可提高效率20%;
5.SiC材料應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上;
6.SiC材料應用在工業(yè)電機領域，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領域，可使電力損失降低60%，同時供電效率提高40%以上;
8.SiC材料應用在大數據領域，可幫助數據中心能耗大幅降低;
9.SiC材料應用在通信領域，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域，可使設備的損耗減小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，而電能轉換最大耗散是半導體功率器件。曾經的“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方面的相關研究，并推出了相應的產品。
以羅姆為例，2012年3月，羅姆成為世界首家開始量產內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額定電流的系列產品，在眾多領域中被廣為采用。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模塊產品陣容。
2015年，羅姆又成為世界首家開發(fā)出采用溝槽結構的SiC-MOSFET，并建立了完備的量產體制。據了解，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)電用功率調節(jié)器和工業(yè)設備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關設備的功率損耗。
溝槽結構因在SiC-MOSFET中采用可有效降低導通電阻而備受關注，但為了確保元器件的長期可靠性，需要設計能夠緩和Gate Trench部分產生的電場的結構。
羅姆通過采用獨創(chuàng)的結構，成功地解決了該課題，并世界首家實現了采用溝槽結構的SiC-MOSFET的量產。
總結
縱觀全球功率器件市場，機遇與挑戰(zhàn)并存。全球SiC產業(yè)格局呈現美國、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)能技術的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設備最核心的部件，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”、綠色經濟的“核芯”。
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