汽车市场将推动SiC和GaN的进一步增长

由于在汽车行业的销售增长，SiC和GaN的收入将增加到数十亿美元

作者：Richard Stevenson

强化新技术的一个好方法是展示它比当前的技术能够好很多。这正是宽禁带功率器件先驱们所使用的策略。多年来，他们一直在展示更高效的电力转换所带来的显著节能效果，以及有益的影响，包括减少电费账单和增加太阳能电池板的可用输出。

然而，现在这个行业有一个全新的甚至更好的故事要讲，这是一个肯定会吸引公众想象力的故事。它将一个弱小者变成了明星，这里的主角是Venturi（文丘里）赛车队，这是一个预算远远低于许多竞争对手的赛车队。经过几个跟不上步伐的赛季之后，车队的速度一直在提升，2019年3月，它在方程式电子级比赛中的首次胜利引起了轰动。这次胜利的秘密是什么？那就是采用了罗姆（Rohm）半导体公司生产的全SiC功率模块的新型卓越技术。

图注: 得益于Rohm的SiC模块，Venturi在Formula E赢得了2019年3月的第一场比赛。

罗姆半导体公司功率系统总监Aly Mashaly在2019 年化合物半导体国际会议（CS International）的主题演讲中，讨论了这个获奖模块的详细信息及其带来的好处。在3月26-27日在布鲁塞尔举行的这次会议上，Mashaly透露：使用SiC 替代硅的好处，并不仅限于为电池提供更大的功率。事实上，它们将部件的尺寸减小了30％，并且把重量从15公斤减少到仅仅9公斤。这些改进源于可以使用较小的无源元件的机会，这具有极高的价值，这就允许将模块放置在汽车内的理想位置，从而实现更好的操控性。

Venturi尝试采用SiC电力电子产品的时间相对比较短。在第二赛季（2014-2015）时，它在其方程式E级赛车中采用过全硅模块。在第三赛季中，该模块就演变为硅IGBT和SiC二极管的搭配，而从第四赛季开始，它使用了SiC二极管和SiC MOSFET的组合。

最初，Venturi的汽车配备了一台200kW的逆变器，工作频率为16kHz。对于产生220kW输出的逆变器，用SiC替代硅电子器件，使得开关频率提高到了24kHz。最大功率效率提高1.3％以上，最高效率提高1.1％。然而，这些数字并没有显示出切换到SiC的真正好处。在比赛期间，汽车在各种不同的负载下运行，而在部分负载下，SiC功率电子器件的效率比硅可以高出5％以上。

SiC的优势不仅有益于赛车，还有益于所有电动汽车。Mashaly解释说，对于装有33kWhr电池的汽车，切换到高性能电子元件可以将驾驶距离从159公里提升到177公里，这个距离是通过电池电量从100％减少到10％来进行评估。另外一种说法就是，较小的电池可以提供相同的驱动范围。鉴于电池的高成本，这可以实现总支出成本的减少。

图注: 罗姆半导体公司动力系统总监Aly Mashaly在CS国际会议上做主题演讲，详细介绍了在Formula E赛车的动力模块中用SiC替代硅的好处。

欧洲一路领先

化合物半导体国际会议还提供了许多的其他演讲，让代表们进一步了解了宽禁带功率电子器件不断增长的市场，以及与器件设计和生产相关的进步。这其中就包括了Yole Développement高级分析师Hong Lin对电动和混合动力汽车市场的见解。

她的分析显示，电动汽车和混合动力电动汽车的大量投资的来源，这无疑会引起一些人的注意。虽然特斯拉一直是在新闻的头条，但它绝不是对这项技术的最大投资者。根据Lin的说法，Elon Musk的公司已经投资了大约100亿美元，而大众汽车公司投入几乎达十倍的资金来开发这项技术。这笔投资1500亿美元的巨额资金正在帮助欧洲引领潮流，而亚洲则为1070亿美元，美国仅为390亿美元。Lin解释说，电动汽车和混合动力电动汽车的销售将在未来几年内飙升。她透露，这个数字在2018年达到了580万，到2020年将达到1000多万，而到2024年将超过2500万。所有形式的汽车都将出现增长，包括轻混合动力车、全混合动力车、插入式混合动力车和电池驱动的电动汽车。

宽禁带功率电子器件在DC-DC转换器、主逆变器、发电机和车载电池转换器中都存在着机会。根据Lin的说法，从硅转换到SiC器件可以将电池电压从400V提高到800V，并且可以增加驱动的里程范围。

在轻度混合动力车中，电子设备将电池的12V输出转换为48V，这可以用于空调、制动和电动助力转向。Lin说，这项任务是“GaN的完美目标”。

图注：Yole Développement的高级分析师Hong Lin预测，到2020年电动和混合动力电动汽车的销量将攀升至1000多万辆，到2024年将超过2500万辆。这些增长将会出现在各种形式的车辆：轻型混合动力车，全混合动力车，插电式混合动力车和电池驱动的电动车，这必将大大刺激SiC和GaN器件的销售。

基板问题

关于SiC和GaN功率器件的所有市场今天所处的位置，以及未来几年的预期， IHS Markit的首席分析师Richard Eden给出了综合分析。他提出的预测表明，到2018年，全球SiC的总收入约为5亿美元，到2020年将翻一番，到2026年将攀升至近50亿美元。相比之下，2019年全球GaN功率器件的销售额将达到约1.5亿美元，并将在2028年之前升至18亿美元。

SiC器件的两个重要市场之一是光伏逆变器，这个市场在早期成功部署SiC后有所下降，但它目前已再次上升，另外一个市场就是电源的功率因数校正。但这两个部分都将远远小于电动汽车和混合动力电动汽车，汽车市场将在未来几年占据最大的份额。

Eden并认为SiC不会对牵引、工业电机驱动或风力涡轮机产生重大影响，因为当前处理所有这些应用中的问题，“你需要数百安培，而不是几十安培，”Eden说。

SiC市场的一个主要问题是材料供应。虽然许多基板供应商已进入市场，包括道康宁杜邦，II-VI先进材料，Norstel，昭和电工和住友，但Eden认为还需要更多。Wolfspeed仍然占据主导地位，英飞凌科技和意法半导体最近通过谈判达成供应协议，用来保证基板供应。

Eden指出，基板已经从4英寸转变到6英寸，此举有望将成本降低约50％。然而，由于良率有所下降，这一承诺尚未完全实现。

SiC器件的结果令人鼓舞。现在有数万亿小时的器件现场经验，数据表明SiC二极管和晶体管没有可靠性方面的问题。更重要的是，这些器件的制造商们已经可以符合JEDEC和汽车AEC-Q101标准。

另一个进步是SiC产品组合的扩展。厂家已经推出SiC MOSFET和JFET，可以工作在更低的电压下，例如900V，800V甚至650V。这种转变使SiC MOSFET能够与具有相同额定电压的硅超结MOSFET进行直接的对接。

GaN的晶圆和外延片市场的动态与SiC工业非常不同。“大多数GaN功率器件都是在硅上生长的，因此衬底供应不是问题。制造这些器件的生产商可以利用外延片供应商的服务，但这种情况并不常见，”Eden说，相反，大部分IDM和代工服务生产都采用内部的外延。

大部分的硅上GaN生产都采用6英寸晶圆，产量在缓慢增加，而8英寸硅基GaN则尚未正式开始。根据Eden的观点，GaN的替代基础尚未取得很大进展。虽然由于激光二极管市场的崩溃，体GaN基板价格的下降有助于其增长，但由于该技术的首要先驱Avogy的崩溃，对这种方法的兴趣受到了很大的冲击。同时，其他替代基板——蓝宝石，SiC和陶瓷晶圆（例如由Qromis制造的陶瓷晶圆）都已经可以提供性能上的优势，但与硅上GaN相比，这些仍然被认为是不必要的昂贵。

在器件方面，GaN晶体管现已大规模生产，部署在服务器和电信功率供应，以及电源适配器和充电器中。汽车系统供应商也在关注这项技术，正在考虑将该技术用于车载充电器和DC-DC转换器中。

图1. IHS Markit预计，由于SiC在电动汽车中越来越多的部署，这种宽禁带材料市场将大幅增长。

图2. IHS Markit预计，全球GaN器件市场将在未来十年内起飞。

印刷晶体管

增加GaN功率技术的能力和商业影响的一个选择，是将其与硅CMOS结合起来。在X-Fab，研究人员一直在开发这样的工艺，项目经理Ralf Lerner在其演示中详细说明了这一点。

Lerner认为，GaN和CMOS集成的优势包括：减少互连距离和损耗，从而提高性能；更小的外形尺寸；减少功耗；以及降低成本。

根据Lerner的说法，这种集成的形式有两种实现方法。一个是单片集成。然而，当在CMOS上执行此操作时，面临的挑战是解决材料和热预算中的不兼容问题；当在GaN上进行时，由于仅限于简单的逻辑电路和缺乏GaN的PMOS，所实现的技术就很落后。替代的异质集成可以通过直接晶圆键合来实现，这可能受到芯片尺寸和晶圆直径限制的影响，或者可以通过微转移印刷来实现，而这正是X-Fab采用的方法。

X-Fab的工程师从一个密集的源晶圆开始，并使用弹性体印模将分立的器件阵列转移到目标晶圆。蚀刻晶体管下方的硅有助于器件的移除，通过快速拾取提供高粘附力，缓慢释放从而产生弱的粘附性，这有助于印刷工艺的进行。最终通过晶圆上的金属化来完成异构集成。

使用仅为5μm厚外延制作了器件，在栅极-漏极间距为17μm的晶体管上测量得到1800V下产生的漏极电流仅为1μA的结果。根据Lerner的说法，击穿主要取决于横向栅极-漏极间距，而不是缓冲层的厚度。

这种印刷方法也存在缺点。其良率取决于比传统方法更多的因素，因为它受到源晶圆质量，目标晶圆和印刷良率的影响。印刷成本和材料损失之间也存在权衡。然而，这种印刷方法也有许多优点。Lerner指出：它允许优化CMOS和GaN工艺；它提供芯片和晶圆尺寸方面的灵活性；并且它实现了晶圆级的低欧姆金属化，这有助于散热。

提高阻断电压

对于1kV或更高的阻断电压，硅的主要竞争对手是SiC。但是，由于硅上GaN技术的各种进步，GaN也可以在这个区域中工作。这些进步包括外延生长的改善和选择性地去除硅。Farid Medjdoub在主题演讲中进行了这两个选项的讨论。

Medjoub通过支持横向GaN器件开始了他的演讲，这种横向结构是更常见的架构。他认为其优点包括最高的电子迁移率和最佳的性价比。

实现更高阻断电压（例如1kV或更高）的挑战是需要更厚的缓冲层，这会增加晶圆翘曲和缺陷密度，同时损害可靠性。通过利用Allos半导体公司的生产无碳缓冲层专业知识，所有这些问题都得以解决。对于具有多个中间层的6.6μm厚的缓冲层，硅上GaN外延片具有仅23μm的凹陷，而直至1kV的电压，材料中的载流子的陷阱都很低。“垂直击穿电压为1400V，这是目前最先进的技术，”Medjdoub说。

他还评估了EpiGaN的材料，其总厚度仅为5μm。使用针对650V应用进行了优化的参考缓冲层，该异质结构上的测量显示出高达1.2kV电压下的极低陷阱。“这是另一个可以通过硅上GaN达到1200V的例子，”Medjdoub认为。

选择性衬底去除甚至可以实现更高的电压。通过首先去除缓冲层下面的硅，然后再通过PVD添加15μm厚的AlN膜，最后是2μm厚的铜膜，目前已经达到3kV的数值。Medjdoub和他的同事们正在与安森美半导体合作，将这种方法应用于4毫米宽、常关、并能够提供10A或更高电流的工业级器件中。测试结果表明到3kV仍有很低的捕获，表明替换硅不会引起额外的捕获效应。

人工智能的优势

功率器件生产期间，需要检查外延片进行质量控制。人们通常使用明场，暗场和微分干涉比对来识别和分类表面上的缺陷。但是掩藏在下面的缺陷怎么办呢？

根据Nanotronics的解决方案架构师Shivanui Lyer的说法，这些可以通过紫外光致发光来暴露出来。在她的演讲中，她展示了各种各样的缺陷，这些都是通过不同激发波长的紫外光致发光得到的。

对缺陷进行分类既费时又棘手，人工智能的使用有望简化和改进这一过程。Nanotronics采用了这种方法，研究了人工智能的能力，并将结果与操作人员获得的结果进行了比较。当他们发现差异时，进一步的调查往往显示出人的错误。“我们很激动。我们取得了超过人类的成果，“Lyer说。

优质的SiC衬底

由于对SiC衬底的需求很高，因此该产业能够从每个晶圆获得高良率是非常重要的，这样才能确保尽可能多的高质量器件进入市场。

Revasum的首席技术官Robert Rhoades认为，实现这一目标的一种方法，是使用单晶圆加工工艺和机器人操作。他声称，与批量方法相比，这可以实现更高的精度，更高的可靠性，并最终提高良率。“良率是关键，”Rhoades说。“它远超过人们在其他方面的担忧。”

Revasum的单晶圆工具已用于抛光基板。他们采用固定磨料（a fixed abrasive）的研磨（grinding）方法。据说这会实现比基于批量的抛光研磨（batch-based lapping）方法小得多的基板亚表面损伤，批量方法采用不固定磨料（loose abrasive），会产生更多的亚表面损伤。请注意，采用固定磨料研磨时材料的去除速度要快得多，因此多晶圆工具的产能并不像人们预期的那样显著。

单晶圆工艺的另一个好处是在抛光过程中，Rhoades描述其研磨液和残渣就像“微细混凝土”一样，不太可能粘附到基板上。这意味着，采用批量方法时磨料和残渣可能在卸载过程中在晶圆上干燥的情况，不会发生在单个晶圆上，其主要原因是受益于湿进，湿出的工艺过程。

目前充分利用每片基板非常重要。对SiC晶体管和二极管的需求正在增加，必须通过高质量的产品来满足市场的进一步增长。对于GaN，这又是一个略有不同的故事。

对于GaN，它的销售额更小，但同样也有一个美好的未来。要了解它有多好，并获得所有宽禁带器件的最新进展，请确保您参加2020年的化合物半导体国际会议（CS International）。

选择性衬底去除甚至可以实现更高的电压。通过首先去除缓冲层下面的硅，然后再通过PVD添加15μm厚的AlN膜，最后是2μm厚的铜膜，目前已经达到3kV的数值。Medjdoub和他的同事们正在与安森美半导体合作，将这种方法应用于4毫米宽、常关、并能够提供10A或更高电流的工业级器件中。

专利组合

另一个关于SiC市场的观点来自Knowmade的Rémi Comyn。他开展了一项专利态势分析，为不同的公司提供了排名，其中日本电装（Denso）公司排在前面，拥有79个专利族（专利族是为了保护单一的发明，在多个国家/地区提交的一组专利）。排名中的下一个是富士电机，67个，其次是丰田汽车和三菱电机，分别为45个和42个。相比之下，SiC功率器件的两个名头最大的公司，Wolfspeed和罗姆，分别只有35个和29个专利族。

拥有最多专利的公司是那些对汽车市场最感兴趣的公司。对于这个应用，专利申请表明最有希望的器件是沟槽MOSFET，而不是平面器件。

通过搜索专利申请，Comyn已经确定了来自中国大陆和台湾的几家正在开发SiC MOSFET技术的公司和机构。这其中包括：北京世纪金光公司有13项发明涉及平面MOSFET，沟槽MOSFET和MOSFET集成的肖特基二极管；中国中车拥有16项发明，包括与Dynex半导体公司合作开发的自对准平面MOSFET，栅极氧化物和沟槽MOSFET；中国电子科技大学，有18项发明涉及自对准平面MOSFET，沟槽MOSFET，栅极氧化物和MOSFET集成的肖特基二极管；国家电网有9项发明涉及平面，沟槽和超结MOSFET，栅极氧化物和MOSFET集成的肖特基二极管；而台湾瀚薪科技共有7项发明，涉及平面和沟槽MOSFET以及MOSFET集成的肖特基二极管。