SiC下，电源半导体如何应对能源问题

以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料是全球战略竞争新的制高点。美、日、欧等各国积极进行战略部署，第三代半导体材料引发全球瞩目，并成为半导体技术研究前沿和产业竞争焦点。

作为电力电子器件，SiC器件在低压领域如高端的白色家电、电动汽车等由于成本因素，逐渐失去了竞争力。但在高压领域，如高速列车、风力发电以及智能电网等，SiC具有不可替代性的优势。

第三代半导体材料

近年来，第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景，成为全球半导体市场争夺的焦点。

所谓第三代半导体材料，主要包括SiC、GaN、金刚石等，因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV)，又被称为宽禁带半导体材料。

当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。

SiC的电力电子器件市场在2016年正式形成，市场规模约在2.1亿—2.4亿美金之间。

而据Yole最新预测，SiC市场规模在2021年将上涨到5.5亿美金。目前全球有超过30家公司在电力电子领域拥有SiC、GaN相关产品的生产、设计、制造和销售能力。

正如 20 世纪 80 年代革命性的 IGBT 技术，如今的宽带半导体碳化硅(SiC)也越来越显示出再次革新电力电子世界的希望。

以SiC为例对比前两代半导体材料， ROHM半导体(上海)有限公司表示，SiC与Si相比，绝缘击穿电场强度高约10倍，可达几千伏特的高耐压。另外Si在高耐压化时导通电阻变大，为了改善这一现象，主要使用Si-IGBT，但存在开关损耗大的问题，而SiC单位面积的导通电阻非常低，可降低功率损耗，同时具有优异的高速开关性能。

SiC在能源方面的优势

从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC) 和氮化镓(GaN)技术，其中SiC 技术最为成熟，研究进展也较快。

相对于硅，碳化硅的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点，用碳化硅制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiC MESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中，用碳化硅作为衬底的高亮度蓝光LED是全彩色大面积显示屏的关键器件。

而在应用领域，碳化硅有以下优点：

1.SiC材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积;

2.SiC材料应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%;

3.SiC材料应用在家电领域，可节能50%;

4.SiC材料应用在风力发电领域，可提高效率20%;

5.SiC材料应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上;

6.SiC材料应用在工业电机领域，可节能30%-50%;

7.SiC材料应用在超高压直流输送电和智能电网领域，可使电力损失降低60%，同时供电效率提高40%以上;

8.SiC材料应用在大数据领域，可帮助数据中心能耗大幅降低;

9.SiC材料应用在通信领域，可显著提高信号的传输效率和传输安全及稳定性;

10.SiC材料可使航空航天领域，可使设备的损耗减小30%-50%，工作频率提高3倍，电感电容体积缩小3倍，散热器重量大幅降低。

半导体厂商如何应对SiC趋势

目前全球40%能量作为电能被消耗，而电能转换最大耗散是半导体功率器件。曾经的“中流砥柱”Si功率器件已日趋其发展的材料极限，难以满足当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求。以SiC为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，将成为突破口，正在迅速崛起。

为此，多家半导体厂商都开始从事SiC方面的相关研究，并推出了相应的产品。

以罗姆为例，2012年3月，罗姆成为世界首家开始量产内置的功率半导体元件全部由碳化硅组成的全SiC功率模块。

其后，相继开发出直到1200V、300A额定电流的系列产品，在众多领域中被广为采用。在IGBT模块市场，罗姆拥有覆盖主要额定电流范围100A到600A的全SiC模块产品阵容。

2015年，罗姆又成为世界首家开发出采用沟槽结构的SiC-MOSFET，并建立了完备的量产体制。据了解，同一芯片尺寸的导通电阻可降低50%，这将大幅降低太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源、工业用逆变器等所有相关设备的功率损耗。

沟槽结构因在SiC-MOSFET中采用可有效降低导通电阻而备受关注，但为了确保元器件的长期可靠性，需要设计能够缓和Gate Trench部分产生的电场的结构。

罗姆通过采用独创的结构，成功地解决了该课题，并世界首家实现了采用沟槽结构的SiC-MOSFET的量产。

总结

纵观全球功率器件市场，机遇与挑战并存。全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。

未来，由半导体SiC材料制作成的功率器件将支撑起当今节能技术的发展趋向，成为节能设备最核心的部件，因此半导体SiC功率器件也被业界誉为功率变流装置的“CPU”、绿色经济的“核芯”。

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