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碳化硅 (SiC) 因其比硅 (Si) 具有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和更大的帶隙，作為下一代功率半導(dǎo)體材料，尤其在高溫高壓應(yīng)用領(lǐng)域，SiC正受到越來(lái)越多的關(guān)注。自 2000 年代以來(lái)，SiC 功率器件的研究和開(kāi)發(fā)也取得了顯著進(jìn)展。

日前，京都大學(xué)工程研究生院的木本恒信教授就SiC迄今為止的研究開(kāi)發(fā)、在功率器件中實(shí)際應(yīng)用的途徑以及進(jìn)一步利用的未來(lái)挑戰(zhàn)等進(jìn)行了分享。

碳化硅過(guò)去20年進(jìn)步明顯

盡管20世紀(jì)80年代和90年代，大學(xué)的基礎(chǔ)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但當(dāng)時(shí)工業(yè)界幾乎沒(méi)有人對(duì)SiC作為功率器件材料感興趣，也無(wú)法預(yù)料到它會(huì)像今天這樣得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)時(shí)的功率器件材料是100%的Si，幾十年來(lái)，人們一度認(rèn)為“一切始于Si，也終將以Si結(jié)束”。然而，過(guò)去20年，SiC在工業(yè)界取得了巨大的進(jìn)步。

對(duì)于SiC而言，商業(yè)化的早期挑戰(zhàn)在于晶體中種類繁多的缺陷。許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)缺陷進(jìn)行了分類，并研究了每種缺陷的影響以及它們是否會(huì)造成重大問(wèn)題。從那時(shí)起，人們已經(jīng)確定了需要消除的缺陷，并在控制這些缺陷方面取得了進(jìn)展，SiC晶圓中的缺陷密度目前已降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)然，模擬技術(shù)的進(jìn)步也產(chǎn)生了重大影響。在晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，過(guò)去是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程，但現(xiàn)在能夠高精度地模擬熱量、氣流、化學(xué)反應(yīng)等因素。溫度不均勻容易導(dǎo)致SiC晶圓出現(xiàn)缺陷，但現(xiàn)在可以確定防止出現(xiàn)缺陷所需的設(shè)備形狀，再加上實(shí)驗(yàn)努力，缺陷減少，晶圓直徑也得到了較大發(fā)展。

SiC的發(fā)展，也得益于社會(huì)的節(jié)能趨勢(shì)。信息技術(shù)和人工智能的進(jìn)步導(dǎo)致電力需求持續(xù)增長(zhǎng)。這導(dǎo)致對(duì)可再生能源的使用、電力的有效利用和效率提升的需求不斷增長(zhǎng)，從而促使全球政府支持和私人投資增加。

SiC的普及，還有一個(gè)重要原因就在于其晶圓價(jià)格在過(guò)去20年里大幅下降。在過(guò)去，3英寸到4英寸晶圓的價(jià)格高達(dá)7200人民幣到9600人秘麻痹，而如今即使是8英寸SiC晶圓的價(jià)格也只有4800元人民幣左右，單位面積成本下降了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。未來(lái)，SiC晶圓價(jià)格甚至有望與硅晶圓持平。

特斯拉是市場(chǎng)擴(kuò)張的催化劑

對(duì)于SiC產(chǎn)業(yè)，2001年是第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。那一年是值得紀(jì)念的一年，英飛凌科技公司（以下簡(jiǎn)稱“英飛凌”）在全球率先開(kāi)始小規(guī)模量產(chǎn)SiC二極管。然而，當(dāng)時(shí)SiC二極管的用途僅限于高端服務(wù)器的部分電源，市場(chǎng)規(guī)模也只有5000萬(wàn)元左右。

下一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)品出現(xiàn)在2010年，當(dāng)年，Cree（現(xiàn)Wolfspeed）和ROHM成功實(shí)現(xiàn)了SiC晶體管的量產(chǎn)。這無(wú)疑是個(gè)重大新聞，但當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)規(guī)模僅為2.5億人民幣左右，與整個(gè)功率器件市場(chǎng)的規(guī)模相比幾乎為零。

2018年，特斯拉在其電動(dòng)汽車（EV）中采用了意法半導(dǎo)體的SiC功率器件，市場(chǎng)迅速擴(kuò)張。眾所周知，SiC的性能優(yōu)于Si，但人們擔(dān)心成本和可靠性，所以我認(rèn)為這是一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。SiC功率器件的成功應(yīng)用，使得“SiC可以用于汽車”的意識(shí)日益增強(qiáng)，其他公司也開(kāi)始采用它們。

自2020年左右以來(lái)，SiC市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，中國(guó)廠商紛紛在其電動(dòng)汽車中用上SiC模組。日本豐田汽車公司于2025年5月宣布將在插電式混合動(dòng)力汽車（PEHV）中采用SiC功率元器件。這也是一項(xiàng)重要舉措。電動(dòng)汽車面臨充電基礎(chǔ)設(shè)施等挑戰(zhàn)，其普及程度尚存爭(zhēng)議，但如果插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）也搭載SiC，SiC的普及將有望進(jìn)一步擴(kuò)大。2024年的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約300億人民幣，這對(duì)于化合物半導(dǎo)體而言是一個(gè)龐大的市場(chǎng)。與此同時(shí)，SiC在鐵路車輛領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)也在不斷推進(jìn)，其對(duì)社會(huì)的影響也日益增強(qiáng)。

中國(guó)SiC逆襲，晶圓全球第一

伴隨著中國(guó)新能源汽車的崛起，中國(guó)SiC的發(fā)展也是非常迅猛。

木本恒信教授也認(rèn)為，中國(guó)目前在SiC晶圓尺寸、質(zhì)量和成本降低等各個(gè)領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先地位。中國(guó)直到2010年代才開(kāi)始關(guān)注SiC研發(fā)，這使其成為全球后來(lái)者，這可能是由于其進(jìn)行了大量的模擬和實(shí)驗(yàn)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)就一直在進(jìn)行研究的日本、美國(guó)和德國(guó)已經(jīng)被中國(guó)超越。木本恒信教授強(qiáng)調(diào)，中國(guó)并沒(méi)有發(fā)明出一種全新的方法，只是投入的資源不同而已。

與此同時(shí)，中國(guó)在器件開(kāi)發(fā)方面也發(fā)展迅速，但日本企業(yè)在尖端器件開(kāi)發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，尚未落后。日本比中國(guó)領(lǐng)先一到兩代。不過(guò)，日本的SiC晶圓與中國(guó)無(wú)法比你。

日本擁有完整的功率器件生態(tài)系統(tǒng)，涵蓋從晶圓制造商到器件制造商。晶圓領(lǐng)域的信越化學(xué)和SUMCO等公司，以及器件領(lǐng)域的東芝、三菱電機(jī)、羅姆和瑞薩電子等公司，都積累了硅片領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。功率器件通常以模塊或系統(tǒng)而非芯片的形式出售，因此日本的優(yōu)勢(shì)在于能夠配置這些解決方案的人才和技術(shù)。

在木本恒信教授看來(lái)，中國(guó)本土企業(yè)仍然缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)。目前，曾在美國(guó)公司從事功率器件開(kāi)發(fā)的工程師正在回國(guó)繼續(xù)開(kāi)發(fā)。差距正在縮小，但木本恒信教授對(duì)中國(guó)在模塊和系統(tǒng)組裝方面的經(jīng)驗(yàn)尚不清楚。

木本恒信教授認(rèn)為，在最佳時(shí)機(jī)進(jìn)行大規(guī)模投資的公司才是贏家。這是一個(gè)艱難的決定，但日本企業(yè)需要進(jìn)行能夠擊敗海外公司的規(guī)模投資，既不能錯(cuò)過(guò)時(shí)機(jī)，也不能三心二意地進(jìn)行投資，否則將無(wú)法跟上世界的發(fā)展速度。

此外，降低成本也是一個(gè)重要課題。目前，為了確?？煽啃?，需要進(jìn)行出貨前篩選，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。為了降低成本，例如取消這一工序，仍有技術(shù)開(kāi)發(fā)的空間。木本恒信教授認(rèn)為，在這方面，積累了豐富的缺陷相關(guān)專業(yè)知識(shí)的日本可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

一些公司目前受到電動(dòng)汽車市場(chǎng)暫時(shí)放緩的影響，但他們需要繼續(xù)改進(jìn)生產(chǎn)線和技術(shù)，以便在下一波浪潮來(lái)襲時(shí)能夠立即發(fā)貨。

600V市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)激烈

木本恒信教授介紹說(shuō)，功率器件是迄今為止最受歡迎的應(yīng)用。其市場(chǎng)規(guī)模接近500億人民幣，硅的霸主地位從未被如此大規(guī)模地打破過(guò)。

除了汽車和數(shù)據(jù)中心之外，SiC JFET 的應(yīng)用還包括英飛凌等公司正在開(kāi)發(fā)的直流斷路器。從長(zhǎng)期以來(lái)機(jī)械化的保險(xiǎn)絲和繼電器轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體是一個(gè)重大變革。其潛在用途包括控制電網(wǎng)，以最大限度地減少可能對(duì)社會(huì)造成重大影響的停電范圍。此外，盡管 SiC 并非功率器件，但各大學(xué)也在開(kāi)展利用 SiC 缺陷的傳感器的基礎(chǔ)研究。

它們很可能在電壓方面與氮化鎵 (GaN) 展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。GaN 在 100V 或 300V 等低壓下非常強(qiáng)大。木本恒信教授預(yù)計(jì)，隨著 GaN 在小型電機(jī)和家用電器等應(yīng)用中取代硅，其市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)。此外，隨著垂直 GaN 功率器件的實(shí)用化，它們或許能夠在高電流和高電壓方面與 SiC 展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。這很有意思，但由于 SiC 和 GaN 的理想特性幾乎相同，隨著兩者技術(shù)水平的提升，競(jìng)爭(zhēng)最終將歸結(jié)為成本和可靠性的較量。

600V電壓市場(chǎng)是一個(gè)有趣的市場(chǎng)。Si具有低成本和可靠性，SiC具有高電流能力，而GaN具有高速開(kāi)關(guān)能力，因此這很可能是一個(gè)激烈的戰(zhàn)場(chǎng)。

目前面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)于SiC而言，一個(gè)持續(xù)存在的問(wèn)題是，SiC MOSFET 中 SiC 與氧化膜（SiO2）界面存在大量缺陷。世界各地一直在研究這個(gè)問(wèn)題，但這在過(guò)去 20 年是否取得了重大進(jìn)展仍值得懷疑。SiC 的缺陷數(shù)量是 Si 的 100 多倍，這阻礙了 SiC 充分發(fā)揮其潛力。SiC 的電阻比理想值高出兩到三倍。

目前，SiC 的性能優(yōu)于 Si，因此其應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大。但如果我們能將 SiC 的電阻減半，就能將芯片面積減半。這也能提高良率，使成本降至一半以上，幾乎與 Si 相當(dāng)。如果實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，SiC 將迎來(lái)爆炸式增長(zhǎng)，節(jié)能效果也將顯著提升。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，突破必不可少，而學(xué)術(shù)界在其中扮演著重要的角色?；貧w基礎(chǔ)的研究將變得越來(lái)越重要。近年來(lái)，諸如第一性原理計(jì)算之類的學(xué)術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)，它們可以高精度地預(yù)測(cè)各種缺陷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因此在利用這些技術(shù)的同時(shí)進(jìn)行“再次研究”至關(guān)重要。

此外，隨著SiC功率器件的普及，可靠性問(wèn)題也日益凸顯?？煽啃允枪β势骷囊粋€(gè)重要方面，不僅在正常運(yùn)行時(shí)，而且在發(fā)生事故時(shí)也同樣重要。SiC的導(dǎo)通電阻比Si低，因此在負(fù)載短路時(shí)可能會(huì)有大電流流過(guò)，從而損壞晶體管，因此必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路。這種可靠性在未來(lái)很可能成為一大難題。

“即使過(guò)了20年，仍然沒(méi)有人能夠從根本上解決與氧化膜結(jié)合界面的缺陷，所以我們想找到新的方法來(lái)取得突破。SiC雖然已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，但它仍然是一種有趣的材料，存在許多我們尚不了解的現(xiàn)象。”木本恒信教授最后說(shuō)。

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