當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢(shì)下，中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開(kāi)啟疫情期間知識(shí)分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱！
本期，我們邀請(qǐng)到中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十五研究所高級(jí)工程師、博士李士顏帶來(lái)了“碳化硅功率器件之新能源汽車應(yīng)用及展望”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：
一、 新能源汽車-碳化硅產(chǎn)業(yè)機(jī)遇
1.新能源汽車，SiC產(chǎn)業(yè)機(jī)遇
SiC作為近年來(lái)備受市場(chǎng)關(guān)注的第三代半導(dǎo)體材料，相對(duì)于傳統(tǒng)的硅材料，其高禁帶寬度高熱導(dǎo)率、高電子偏移速率等材料優(yōu)勢(shì)，使得碳化硅功率器件擁有高的擊穿電壓、開(kāi)關(guān)頻率、工作溫度、功率密度等性能優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)應(yīng)用中可以有效地提升系統(tǒng)的工作效率，降低系統(tǒng)的功率損耗，降低系統(tǒng)的尺寸和重量，在新能源汽車中也受到了廣泛關(guān)注。
近年來(lái)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，成為硅功率器件市場(chǎng)擴(kuò)展的重要推動(dòng)力。碳化硅功率器件已經(jīng)迅速進(jìn)入新能源充電樁、車載充電器、電機(jī)控制器等應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在電機(jī)控制器方面，使用碳化硅功率器件，可以減少電機(jī)控制器80%的體積、70%的重量，最高效率可以達(dá)到99%。這些優(yōu)勢(shì)將有效的提升新能源汽車的持續(xù)續(xù)航能力、空間利用等關(guān)鍵性能指標(biāo)。
成本目前是碳化硅功率器件所面臨的較大挑戰(zhàn)，但是從硅IGBT切換為碳化硅功率器件后，新能源汽車逆變器效率的提升,相同續(xù)航下對(duì)電池容量的降低，以及系統(tǒng)冷卻體積和重量?jī)?yōu)化。將有效降低碳化硅功率器件本身帶來(lái)的成本增加。碳化硅功率器件將成為未來(lái)新能源汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)。
特斯拉上海工廠的建成和首批國(guó)產(chǎn)model3的交付，無(wú)疑給中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的沖擊，model3中其電機(jī)控制器的逆變器中已經(jīng)采用了碳化硅MOSFET芯片作為核心功率器件。然后，這將進(jìn)一步引領(lǐng)碳化硅功率器件在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展和趨勢(shì)。隨著model3零件國(guó)產(chǎn)化率的提升，也給國(guó)內(nèi)碳化硅芯片和模塊產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。
與特斯拉同步的是，豐田、大眾、日產(chǎn)、本田、比亞迪等公司也都將SiC功率器件，作為未來(lái)新能源汽車電機(jī)控制器的首選解決方案。
豐田公司從2016年開(kāi)始就開(kāi)展了碳化硅功率器件新能源汽車的應(yīng)用。其乘用車實(shí)驗(yàn)型車型已經(jīng)完成了長(zhǎng)期的路況測(cè)試，在城市公交系統(tǒng)中也開(kāi)展了實(shí)際的應(yīng)用示范。三到五年內(nèi)，碳化硅功率器件將成為整個(gè)國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)主流的技術(shù)方案，這也將給全球的碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。
中國(guó)擁有全球最大的新能源汽車產(chǎn)業(yè)，并且作為國(guó)家重要的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，其發(fā)展規(guī)模將長(zhǎng)期保持高速擴(kuò)展。新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模保持著22%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。預(yù)計(jì)到2030年，中國(guó)新能源汽車銷售量將達(dá)到2100萬(wàn)臺(tái)，其巨大的市場(chǎng)規(guī)模牢牢的吸引了國(guó)際和國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件企業(yè)的目光。
新能源汽車將保持22%增長(zhǎng)率，SiC在該領(lǐng)域增長(zhǎng)率將49%，核心芯片國(guó)產(chǎn)化率不足2%，SiC功率器件國(guó)產(chǎn)替代空間十分廣闊。
但目前國(guó)內(nèi)新能源汽車核心芯片國(guó)產(chǎn)化率卻不足2%，其核心功率器件基本依賴進(jìn)口，這導(dǎo)致費(fèi)用昂貴，供應(yīng)鏈穩(wěn)定性差，整車電驅(qū)系統(tǒng)成本高昂，并且供應(yīng)受制于人。一旦在未來(lái)幾年，國(guó)外電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，并和國(guó)內(nèi)同行形成全方位競(jìng)爭(zhēng)后，核心功率器件很可能成為卡住國(guó)內(nèi)車廠的命門(mén)，現(xiàn)實(shí)和未來(lái)都需要盡快解決自主碳化硅功率芯片的核心技術(shù)，車規(guī)級(jí)的碳化硅功率芯片的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程刻不容緩。面對(duì)危機(jī)的同時(shí)，這也為我國(guó)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更大的機(jī)遇，經(jīng)歷了中興事件、華為事件，核心芯片國(guó)產(chǎn)自主化，核心元器件供應(yīng)鏈安全的緊迫性已經(jīng)深入了國(guó)內(nèi)各大企業(yè)的意識(shí)。未來(lái)幾年碳化硅功率器件國(guó)產(chǎn)化的替代將迎來(lái)迅猛發(fā)展，市場(chǎng)前景非常廣闊。
二、 碳化硅功率器件主要發(fā)展歷程
1.SiC肖特基二極管產(chǎn)品系列化
SiC肖特基二極管是最早進(jìn)入市場(chǎng)的碳化硅功率器件產(chǎn)品，從2001年英飛凌首先推出SiC肖特基二極管產(chǎn)品以來(lái)，經(jīng)歷20年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外20余家公司量產(chǎn)SiC肖特基二極管系列產(chǎn)品，擊穿電壓600-1700V，單芯片導(dǎo)通電流最高達(dá)50A以上。
作為產(chǎn)業(yè)龍頭，CREE、英飛凌產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展到第六代，采用薄片、溝槽等先進(jìn)技術(shù)，在不斷提升性價(jià)比的同時(shí)，應(yīng)用可靠性顯著提升。
2.SiC MOSFET成熟度提升迅速
SiC MOSFET器件技術(shù)方面，成熟度迅速提升，市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模迅速增長(zhǎng)。自從2010年，CREE一代SiC MOSFET的推出。國(guó)際上10余家公司量產(chǎn)SiCMOSFET系列產(chǎn)品，擊穿電壓650-1700V，單芯片導(dǎo)通電流最高達(dá)100A以上。
在SiC MOSFET器件產(chǎn)品中存在兩種主流的技術(shù)路線方案，Cree、Rohm分別基于平面型DMOSFET和溝槽型UMOSFET技術(shù)路線，產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展到第三代，芯片尺寸大幅縮小。
3.平面型SiC MOSFET
Cree：Gen3 1.2kV 器件Ron,sp降低至2.7mΩ∙cm2, 3.3kV 及更高電壓器件Ron,sp接近單極型器件理論極限。
ST：Gen2 1.2kV 器件Ron,sp 5.5mΩ∙cm2，高工作溫、高閾值電壓，可靠性達(dá)到車規(guī)級(jí)應(yīng)用要求。
目前特斯拉model3所采用的是ST公司的1200伏碳化硅產(chǎn)品，具有更高的工作溫度，高的閾值電壓等性能特點(diǎn)，更適合于新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的系統(tǒng)。
4.溝槽型SiC MOSFET
Rohm：Gen3雙溝槽結(jié)構(gòu)降低Eox，1.2kV器件Ron,sp降低為Gen2 DMOS的50％。
Infineon：非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)降低Eox ，(11-20)面高MOS溝道遷移率，實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高閾值電壓。
5.技術(shù)成熟度快速提升
目前，SiCSBD和SiCMOSFET都已實(shí)現(xiàn)了商品化，超越“概念驗(yàn)證”階段，目前SiC MOSFET在產(chǎn)品性能和技術(shù)成熟度方面處于快速增長(zhǎng)期�？煽啃约俺杀具_(dá)到EV、軌道交通等應(yīng)用要求，逐步進(jìn)入成熟期；
產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)比率迅速提升，在電源、光伏領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，處于快速增長(zhǎng)期。用戶市場(chǎng)應(yīng)用的產(chǎn)品還沒(méi)有得到固化和定型，因此，未來(lái)三到五年，是我國(guó)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展突破的最后機(jī)會(huì)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程刻不容緩。
2025年以后，碳化硅功率器件市場(chǎng)將進(jìn)入成熟期，國(guó)際廠商將形成更高的市場(chǎng)壁壘，國(guó)產(chǎn)碳化硅功率器件再進(jìn)入市場(chǎng)將更加困難。
6.產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模
當(dāng)前，碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，2018年產(chǎn)品銷售超過(guò)3億美元，高端應(yīng)用正逐步替代硅器件；高端應(yīng)用正逐步取代硅器件。市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)，未來(lái)十年內(nèi)，其將保持30%的高速年增長(zhǎng)率，2023年超過(guò)10億美元，這也是國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)必須抓住的機(jī)遇。
三、 關(guān)鍵核心技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)
與傳統(tǒng)的硅功率器件工藝相比，碳化硅獨(dú)特的材料特性使其需要匹配多種特別的工藝技術(shù)。在這些核心技術(shù)方面，國(guó)外的技術(shù)積累和優(yōu)勢(shì)沒(méi)有硅器件那么明顯，這也為我們?cè)谔蓟韫β势骷I(lǐng)域的快速追趕，甚至超越提供了難得的機(jī)遇。
1.SiC功率器件特殊工藝
由于摻雜離子在碳化硅材料內(nèi)極難擴(kuò)散，因此難以通過(guò)傳統(tǒng)的高溫?cái)U(kuò)散摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)PN區(qū)的離子摻雜，需要采用1650度的高溫外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳化硅材料漂移層的生長(zhǎng)。外延質(zhì)量和缺陷率將直接影響器件的性能和成品率，
碳化硅外延技術(shù)是碳化硅功率器件制備的核心技術(shù)之一。同時(shí)，針對(duì)碳化硅MOSFET器件，要實(shí)現(xiàn)碳化硅深的離子摻雜濃度，需要引入高溫高能離子注入技術(shù)，其實(shí)際注入能量將高達(dá)800keV，這也是碳化硅器件需要的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。
另一方面，摻雜離子在碳化硅材料內(nèi)的激活率較低，需要在超高溫度條件下進(jìn)行激活，激活溫度最高可達(dá)到1800度。如何在如此高的環(huán)境溫度下保持碳化硅材料良好的界面狀態(tài)，是高溫激活退火技術(shù)的關(guān)鍵。
相對(duì)于其他化合物半導(dǎo)體材料，碳化硅可以通過(guò)自氧化形成柵介質(zhì)層，特別適合作為硅功率器件的替代材料。但是碳化硅柵介質(zhì)層在氧化過(guò)程中高的界面態(tài)密度，然后低的載流子遷移率等問(wèn)題是其面臨的重大技術(shù)難點(diǎn)。
通過(guò)十幾年的技術(shù)研究，通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化氧化條件，一氧化氮退火，高溫鈍化等工藝，柵介質(zhì)層氧化工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重大的突破，柵介質(zhì)層達(dá)到了批量商用的要求。
2.閾值電壓提升
針對(duì)新能源汽車的應(yīng)用，未來(lái)幾個(gè)方向是碳化硅功率MOSFET器件研究的重點(diǎn)，一是閾值電壓的提升技術(shù)。新能源汽車應(yīng)用環(huán)境,溫度較高，而硅功率MOSFET的閾值電壓隨溫度升高而降低,低的閾值電壓增加了高溫環(huán)境下系統(tǒng)的開(kāi)啟風(fēng)險(xiǎn)，因此閾值電壓的提升對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要。目前三菱、羅姆和英飛凌等公司都已開(kāi)展了多項(xiàng)研究，并取得了不錯(cuò)的研究成果。
3.閾值電壓穩(wěn)定性提升
碳化硅閾值電壓穩(wěn)定性是其需要攻克的另一技術(shù)重點(diǎn)，器件長(zhǎng)期的閾值電壓穩(wěn)定性是新能源汽車應(yīng)用的另一個(gè)焦點(diǎn)。
目前，國(guó)際報(bào)道通過(guò)V族元素的鈍化、B鈍化、非晶硅溝道制備等提升閾值電壓穩(wěn)定性的技術(shù)，但是這一系列技術(shù)的成熟度仍有待進(jìn)一步的提升。
4.柵氧介質(zhì)可靠性提升
柵氧介質(zhì)可靠性提升是碳化硅功率MOSFET器件實(shí)現(xiàn)新能源汽車應(yīng)用面臨的重要瓶頸，柵氧介質(zhì)失效是碳化硅功率MOSFET器件應(yīng)用中主要的失效現(xiàn)象之一，相對(duì)于傳統(tǒng)硅器件，硅功率MOSFET柵介質(zhì)層可靠性還有較大提升空間，更多的研究工作需要集中解決這一應(yīng)用難題。
四、國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)分析
在碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，以美國(guó)的Cree公司、日本的羅姆半導(dǎo)體公司為代表的國(guó)外碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，并且形成了巨頭壟斷局面。國(guó)內(nèi)碳化硅MOSFET芯片技術(shù)尚處于研發(fā)階段，芯片技術(shù)成熟度有待提升。
國(guó)際SiC供應(yīng)商加速投資，迅速擴(kuò)產(chǎn)
2018年，Rohm公布加速投資，擴(kuò)大SiC晶圓和器件產(chǎn)能計(jì)劃
2019年，Cree宣布10億美元投資計(jì)劃，開(kāi)展8英寸晶圓線
2019年，Infineon與Cree就SiC襯底供應(yīng)，簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議
2019年，大眾與Cree就新能源汽車應(yīng)用SiC器件供應(yīng)，簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議
國(guó)產(chǎn)SiC襯底
在碳化硅襯底方面。國(guó)內(nèi)有天科合達(dá)、山東天岳、世紀(jì)金光等多家企業(yè)推出了其四英寸的碳化硅襯底產(chǎn)品。
國(guó)產(chǎn)4英寸SiC襯底
國(guó)內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)品，其微管密度已經(jīng)接近了進(jìn)口襯底的水平，天科合達(dá)、山東天岳等廠家的襯底材料已經(jīng)通過(guò)了產(chǎn)品的驗(yàn)證，開(kāi)始大批量的應(yīng)用于碳化硅功率器件的產(chǎn)品生產(chǎn)，有效地保證了襯底供應(yīng)鏈的安全。
國(guó)際上碳化硅功率器件廠商已經(jīng)基本都進(jìn)入了六英寸時(shí)代，未來(lái)幾年很可能邁向八英寸時(shí)代，在六英寸和八英寸襯底技術(shù)和產(chǎn)能方面，與國(guó)際都還存在比較大的差距。
國(guó)產(chǎn)SiC外延
國(guó)產(chǎn)4英寸SiC外延材料
中國(guó)電科55所在碳化硅外延方面擁有十年的技術(shù)積累，目前外延材料主要性能參數(shù)優(yōu)于進(jìn)口SiC外延片的供片指標(biāo)要求，并且建立了穩(wěn)定的批量供貨的能力。下圖所示，中國(guó)電科55所碳化硅外延材料參數(shù)指標(biāo)與Cree產(chǎn)品的供貨指標(biāo)的對(duì)比，多個(gè)指標(biāo)優(yōu)于Cree的供貨標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)產(chǎn)SiC電力電子器件
碳化硅功率器件加工方面，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大規(guī)模的投入，目前，產(chǎn)品制造單位超過(guò)10家，55所、中車時(shí)代電氣等具備完整的器件工藝線；55所、泰科天潤(rùn)等公司已批量銷售SiC肖特基二極管。
但是碳化硅MOSFET器件方面，國(guó)內(nèi)還處于產(chǎn)業(yè)推廣的起步階段，產(chǎn)品技術(shù)水平和市場(chǎng)占有率仍需大幅提升。
55所SiC電力電子技術(shù)定位
55所定位于集碳化硅材料外延、晶圓加工、器件測(cè)試和可靠性評(píng)價(jià)以及碳化硅功率模塊封裝的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的碳化硅器件發(fā)展。
55所SiC外延材料自主保障
在碳化硅材料外延方面，建立了四六英寸碳化硅外延技術(shù)，擁有三臺(tái)批產(chǎn)用的碳化硅外延設(shè)備，30µm-薄外延年供片能力超過(guò)1萬(wàn)片，同時(shí)還建立了低缺陷密度150µm+厚外延生長(zhǎng)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先的地位。
55所SiC電力電子器件生產(chǎn)線
建立了完整、集中的4、6英寸SiC電力電子器件批量生產(chǎn)能力；批量生產(chǎn)SiC 肖特基二極管系列產(chǎn)品，初步建立SiC MOSFET產(chǎn)品技術(shù)。
55所新型功率模塊生產(chǎn)線
2014年55所成立國(guó)揚(yáng)電子公司，專業(yè)從事以SiC為代表的新型半導(dǎo)體功率模塊的研制和批產(chǎn)；產(chǎn)品包括IGBT模塊、SiC混合功率模塊、SiC MOSFET功率模塊等，年產(chǎn)各類功率模塊30萬(wàn)塊。
55所SiC MOSFET產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
針對(duì)新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用碳化硅功率器件，55所目前已建立了1200V280、160、80、40mΩ碳化硅MOSFET器件產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供貨，還開(kāi)發(fā)了1200V25mΩ碳化硅MOSFET器件產(chǎn)品,單芯片導(dǎo)通電流大于70安，目前處于產(chǎn)品的初步定型階段，計(jì)劃在2021年將實(shí)現(xiàn)新能源汽車的裝車示范應(yīng)用。
1200V25mΩSiC MOSFET
導(dǎo)通電流大于70安培，閾值電壓2.8伏，擊穿電壓1500伏，可以完全滿足碳化硅器件在新能源汽車方面的應(yīng)用。
SiC MOSFET產(chǎn)品對(duì)比
1200V80mΩ產(chǎn)品動(dòng)態(tài)特性測(cè)試
高溫柵偏試驗(yàn)
柵氧介質(zhì)壽命：TDDB試驗(yàn)
體二極管可靠性
車用1200V/300A SiC功率模塊
•采用完全自主1200V/40mΩSiC MOSFET芯片；
•采用Pin-fin直接水冷結(jié)構(gòu)，三相全橋SiC功率模塊；
•1200V/300A功率輸出，最高工作結(jié)溫200℃；
•2021年將完成500臺(tái)新能源汽車裝車應(yīng)用；
充電裝置應(yīng)用
1200V SiC肖特基二極管具備低導(dǎo)通損耗、低反向漏電、高擊穿電壓、高浪涌能力耐受能力；
替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，通過(guò)500V和750V充電裝置的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)數(shù)十萬(wàn)只產(chǎn)品銷售應(yīng)用；
光伏逆變器應(yīng)用
替代相同電壓電流等級(jí)的硅器件，效率提升2個(gè)百分點(diǎn)；替代進(jìn)口同類產(chǎn)品，效率相當(dāng)，多臺(tái)樣機(jī)正常運(yùn)行一萬(wàn)小時(shí)以上，1200VSiC二極管和混合功率模塊實(shí)現(xiàn)批量銷售。
五、未來(lái)展望
未來(lái)碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛，在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、高端電源、白色家、電軌道交通和智能電網(wǎng)方面將取得更大的市場(chǎng)份額。其中，軌道交通和智能電網(wǎng)的應(yīng)用市場(chǎng)將成為碳化硅功率器件下一個(gè)廣闊的應(yīng)用前景。
更高電壓SiC器件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
在碳化硅功率器件的電壓等級(jí)方面，目前商用的電壓等級(jí)只是覆蓋到了600伏到1700伏，相信在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，3300伏到6500伏電壓等級(jí)的碳化硅功率器件也將迅速進(jìn)入產(chǎn)品化推廣階段。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，相信1萬(wàn)伏電壓等級(jí)的碳化硅MOSFET，甚至2萬(wàn)伏等級(jí)的碳化硅IGBT產(chǎn)品也將迅速進(jìn)入我們的視野。
3.3-10kV SiC MOSFET等單極型器件進(jìn)步顯著，進(jìn)入驗(yàn)證階段；SiC IGBT等雙極型器件的電性能不斷提升，擊穿電壓達(dá)25kV以上，但其封裝、可靠性等方面問(wèn)題突出。
小結(jié)
國(guó)際上SiC功率器件技術(shù)處于快速發(fā)展期，在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)入爆發(fā)期，市場(chǎng)產(chǎn)值將急劇擴(kuò)張；
國(guó)內(nèi)SiC功率器件產(chǎn)業(yè)化盡快完善，實(shí)現(xiàn)自主芯片國(guó)產(chǎn)替代，擺脫該領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)依賴于國(guó)外器件供應(yīng)商的產(chǎn)業(yè)瓶頸。
國(guó)內(nèi)需要攻克的產(chǎn)業(yè)瓶頸，包括SiC襯底、SiCMOSFET技術(shù)成熟度仍需提高；國(guó)內(nèi)用戶的牽引是SiC器件技術(shù)快速提升的關(guān)鍵。
關(guān)于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所是我國(guó)大型電子器件研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究所之一，主要從事固態(tài)功率器件、微波毫米波模塊電路等專業(yè)技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)。目前在三代半導(dǎo)體研制領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；積極推動(dòng)軍民融合發(fā)展，民品產(chǎn)業(yè)進(jìn)入國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，形成了射頻電子、功率電子兩大支柱產(chǎn)業(yè)板塊。
在國(guó)內(nèi)率先建立碳化硅電力電子芯片和功率模塊封裝的批量生產(chǎn)線，擁有寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，可以覆蓋碳化硅材料的外延、芯片制造，擁有國(guó)內(nèi)設(shè)備最齊全的研發(fā)能力最先進(jìn)的碳化硅生產(chǎn)線。
非常感謝極智課堂提供了跟大家交流的機(jī)會(huì)，雖然疫情還未完全過(guò)去，但相信國(guó)內(nèi)各個(gè)產(chǎn)業(yè)的復(fù)蘇已經(jīng)近在眼前。非常榮幸在這個(gè)時(shí)期，與業(yè)界同仁就碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇和未來(lái)發(fā)展深入的交流和討論。共同合作，一起把握他微功率器件產(chǎn)業(yè)的重要?dú)v史機(jī)遇。也歡迎有需要的用戶和同行能夠積極地開(kāi)展合作，共同推進(jìn)國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。
問(wèn)答環(huán)節(jié)
1.需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng)嗎？
李士顏：目前市場(chǎng)上碳化硅驅(qū)動(dòng)器一般采用負(fù)5伏和正20伏的驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)然CREE的三代產(chǎn)品現(xiàn)在應(yīng)該是負(fù)5伏到正15伏的驅(qū)動(dòng)。目前驅(qū)動(dòng)采用負(fù)5伏更多的是考慮整個(gè)系統(tǒng)工作的安全性，本身碳化硅器件在0伏以下是可以完全關(guān)斷的。
2.55所的SiC芯片對(duì)外銷售嗎？采用SiC MOS的汽車動(dòng)力控制單元體積的縮小，主要是哪些部分體積縮小的？
李士顏： 55所的碳化硅芯片是對(duì)外銷售的，目前碳化硅二極管產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量的供貨銷售，整個(gè)工藝生產(chǎn)非常穩(wěn)定。碳化硅MOS方面，在1200伏器件方面，多款產(chǎn)品已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)批量的送樣和供貨，未來(lái)供貨量將會(huì)進(jìn)一步提升。
對(duì)于采用SiC MOS的汽車動(dòng)力控制單元體積的縮小，一方面，采用碳化硅功率模塊的體積是要小于采用硅器件的。更重要的是，采用碳化硅器件之后，整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率可以實(shí)現(xiàn)比較大的提升，在外圍的一些相當(dāng)于是無(wú)緣的元件、電感之類的體積都可以實(shí)現(xiàn)較大的縮小，碳化硅MOS對(duì)冷卻系統(tǒng)要求沒(méi)有硅那么高，所以冷卻系統(tǒng)體積方面也會(huì)實(shí)現(xiàn)比較大的降低。
3.報(bào)告中展示的測(cè)試數(shù)據(jù)是基于兩英寸嗎？數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)還是量產(chǎn)數(shù)據(jù)？對(duì)比CREE、ROHM我們55所產(chǎn)品的良率大約多少，那么基于尺寸、良率、工藝等我們的成本如何面對(duì)國(guó)外產(chǎn)品，也就是價(jià)格優(yōu)勢(shì)是從哪里獲得的？
李士顏：報(bào)告中所展示的數(shù)據(jù)都是我們四英寸襯底所作的碳化硅產(chǎn)品，在產(chǎn)品中按照標(biāo)準(zhǔn)的抽樣考核進(jìn)行測(cè)試，相當(dāng)反映我們產(chǎn)品基準(zhǔn)線的一些工藝數(shù)據(jù)。
對(duì)于產(chǎn)品率和成本方面是國(guó)內(nèi)碳化硅器件生產(chǎn)商所面臨的一個(gè)重大問(wèn)題，由于本身工藝線技術(shù)平臺(tái)的不足，國(guó)內(nèi)在這方面與國(guó)際上還是有較大的差距。未來(lái)隨著更大尺寸晶圓的引入，更大批量的生產(chǎn)加工和更優(yōu)的在線監(jiān)控技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步提升成品率和降低成本。
4.碳化硅晶圓生長(zhǎng)速度非常慢，能夠做晶圓的公司又很少，您提到碳化硅市場(chǎng)會(huì)快速增長(zhǎng)，將來(lái)如何看待晶圓是否可以快速提升供貨量并且穩(wěn)定供貨呢？
李士顏：對(duì)于晶圓是否能夠快速穩(wěn)定的供貨，這兩年感受深刻，由于國(guó)外晶圓供貨渠道受到了一定的影響，更深刻地意識(shí)到國(guó)產(chǎn)晶圓的供貨意義重大。
不過(guò)值得慶幸的是，四英寸晶圓國(guó)內(nèi)基本上可以實(shí)現(xiàn)批量供貨，供貨渠道方面沒(méi)有問(wèn)題。但是對(duì)于急需的六英寸材料，國(guó)內(nèi)在技術(shù)方面和量產(chǎn)方面都還存在較大不足，需要更多的資金投入來(lái)進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)和技術(shù)提升。國(guó)內(nèi)企業(yè)也已經(jīng)有意識(shí)，比如華為公司入股山東天岳。
5.55所目前的產(chǎn)品，二極管的晶圓是國(guó)內(nèi)晶圓，MOSFET、IGBT的晶圓還是主要靠進(jìn)口，理解是否正確呢？
李士顏：目前針對(duì)1200伏的產(chǎn)品，二極管和MOSFET都主要采用國(guó)內(nèi)四英寸碳化硅襯底。只有針對(duì)超高壓的器件，重點(diǎn)偏向于更前沿的產(chǎn)業(yè)研發(fā)方面，會(huì)采用國(guó)外的一些襯底作為外援。
未來(lái)產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)襯底將會(huì)成為主流，我們對(duì)國(guó)內(nèi)六英寸商用襯底的需求也非常迫切。
6.55所的產(chǎn)品，是否符合車規(guī)級(jí)別要求呢？是否有車廠已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證了呢？
李士顏：對(duì)于車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的需求，也是下一步碳化硅器件發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。目前國(guó)際上符合車規(guī)級(jí)要求的碳化硅器件是非常少的，目前擁有符合車規(guī)級(jí)要求的生產(chǎn)線，國(guó)際上也很少。所以下一步重點(diǎn)將會(huì)開(kāi)展在碳化硅車規(guī)級(jí)芯片方面的應(yīng)用。
在批量應(yīng)用之前，小批量的上車示范應(yīng)用會(huì)是更重要的觀念。目前驗(yàn)證還處于初步協(xié)調(diào)階段，2021年我們將會(huì)有500輛新能源汽車的碳化硅器件裝車應(yīng)用需求。
7.根據(jù)現(xiàn)狀，襯底進(jìn)口、良率難控，目前市場(chǎng)呈現(xiàn)出的國(guó)產(chǎn)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)是犧牲了利潤(rùn)還是幾乎沒(méi)有利潤(rùn)？預(yù)計(jì)這樣的階段還要持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？
李士顏：兩方面來(lái)講。碳化硅肖特基二極管方面，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品良率與國(guó)際廠商基本是一致的，因此，在這方面利潤(rùn)其實(shí)是可以得到保證的，更多的是市場(chǎng)份額占有的問(wèn)題。希望國(guó)內(nèi)用戶可以給國(guó)內(nèi)的碳化硅器件廠商更多的機(jī)會(huì)，讓我們的產(chǎn)品能夠更大量的進(jìn)入市場(chǎng)，從而保證整個(gè)產(chǎn)品的規(guī)模和利潤(rùn)的發(fā)展。
在碳化硅MOSFET方面，成本比較高，更多的是目前的技術(shù)成熟度還有待提高，隨著技術(shù)程度的提高以及整個(gè)批量化生產(chǎn)的提升，良率是會(huì)隨著產(chǎn)量逐步提升的，因此未來(lái)我們產(chǎn)品的成熟度和批量生產(chǎn)上去之后，然后碳化硅MOSFET的成本也會(huì)逐步下降，跟國(guó)際形成持平甚至稍微占優(yōu)的結(jié)果，因此，未來(lái)碳化硅MOSFET的利潤(rùn)也可以得到比較大的保障。
就個(gè)人預(yù)測(cè)，未來(lái)五年之內(nèi)，國(guó)內(nèi)整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)對(duì)于投資來(lái)說(shuō)，利潤(rùn)回報(bào)率應(yīng)該可以得到比較明顯的提升。
8.SiC器件封裝用基板用的是什么，未來(lái)又是怎么考慮的
李士顏：據(jù)了解，目前這個(gè)碳化硅功率模塊所采用的基板一般都是氧化鋁覆銅基板，或者是氮化鋁覆銅基板。未來(lái)可能更多是根據(jù)功率模塊的需求，在基板材料方面，近期應(yīng)該不會(huì)有特別大的變動(dòng)和更新。
9.目前國(guó)內(nèi)碳化硅芯片在成品率和成本依舊存在進(jìn)步空間，那么我們現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品在國(guó)際同行優(yōu)勢(shì)在哪？從哪里能獲取利潤(rùn)？
李士顏：優(yōu)勢(shì)在于幾點(diǎn)，相對(duì)于國(guó)外廠商，目前碳化硅芯片的供貨周期已是非常長(zhǎng)。而且對(duì)于產(chǎn)品的定制需求，他們很難滿足，國(guó)內(nèi)在這方面會(huì)有更多的優(yōu)勢(shì)。
售后服務(wù)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)可以更好地滿足國(guó)內(nèi)用戶的需求。碳化硅作為新型器件，在應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題，更多的并不是器件本身的問(wèn)題，而是在使用過(guò)程中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)跟碳化硅器件的完美配合。這些問(wèn)題的解決，需要器件的研制單位跟用戶單位共同來(lái)完善。這方面，國(guó)內(nèi)廠商有更大的優(yōu)勢(shì)，可以更快速的對(duì)用戶問(wèn)題反應(yīng)，更快速地提出解決方案。
同時(shí)針對(duì)國(guó)內(nèi)用戶的需求，國(guó)內(nèi)廠商在定制化產(chǎn)品方面也有更好的服務(wù)方案。
10.國(guó)內(nèi)新能源汽車SiC器件滲透率大概有多少？如何推動(dòng)國(guó)產(chǎn)器件上車？
李士顏：、目前國(guó)內(nèi)新能源汽車的功率模塊還基本全部采用這個(gè)硅的IGBT器件。真正批量化市場(chǎng)應(yīng)用的碳化硅器件應(yīng)該是還沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng)。
對(duì)于如何推動(dòng)新能源汽車國(guó)產(chǎn)碳化硅器件的應(yīng)用，汽車是安全性要求非常高的產(chǎn)品。新的器件，特別是新能源汽車中，功率控制器是核心器件，要采用碳化硅器件替代，首先要有一個(gè)三到五年的示范應(yīng)用期，這個(gè)期間，目前更多是通過(guò)國(guó)家的一些項(xiàng)目支撐。據(jù)了解，目前國(guó)家針對(duì)新能源汽車碳化硅器件的應(yīng)用，推出了比如國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
2021年之后，國(guó)產(chǎn)碳化硅器件基本可以實(shí)現(xiàn)在新能源汽車上小批量的示范運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)兩到三年，國(guó)產(chǎn)器件將會(huì)大批量進(jìn)入國(guó)內(nèi)新能源汽車應(yīng)用。
11.請(qǐng)問(wèn)碳化硅模塊相對(duì)比IGBT，成本大概增加了多少呢？
李士顏：就單模塊的系統(tǒng)成本來(lái)說(shuō)，基本增加了有六到八倍。但是對(duì)于整個(gè)電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能夠完全將碳化硅器件的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)提升出來(lái)，可以在整車成本降低中實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。比如采用碳化硅器件之后，對(duì)電池的需求會(huì)有一定的降低，對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)需求有進(jìn)一步優(yōu)化，最終整車的成本的降低可以彌補(bǔ)碳化硅模塊成本的增加。
（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
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