什么是碳化硅（SiC）？

碳化硅（SiC）是第三代化合物半导体材料。半导体材料可用于制造芯片，这是半导体行业的基石。碳化硅是通过在电阻炉中高温熔化石英砂，石油焦，锯末等原材料而制造的。

芯片有三种核心材料。目前第一代半导体材料是高纯硅。第二代化合物半导体材料包括砷化镓、磷化铟等。碳化硅和氮化镓将成为未来的第三代核心材料。其优越的物理性能：高带隙、高导电性、高导热性。高带隙对应于高击穿电场和高功率密度。

半导体芯片中碳化硅的主要形式是衬底材料。半导体芯片有两种是IC和分立器件。无论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可以分为“基板-外延器件”结构。

碳化硅晶片是由碳化硅晶体的切割、研磨、抛光、清洗等工艺形成的单晶硅片。作为半导体衬底材料，碳化硅晶片可以通过外延生长和器件制造制成基于碳化硅的功率器件和微波射频器件。

碳化硅晶圆根据其电阻率分为导电或半绝缘。其中，导电碳化硅片主要用于制造耐高温高压功率器件。它占据了很大的市场份额。半绝缘碳化硅衬底主要应用于微波、射频器件等领域。随着5G通信网络的加速建设，市场需求大幅增加。

碳化硅有哪些优点？

碳化硅（SiC）是大功率器件的理想材料

在半导体工业中，硅是第一代基础材料。目前，世界上95%以上的集成电路元件都是以硅为衬底制造的。目前，随着电动汽车和5G等应用的发展，对大功率、高电压、高频器件的需求正在快速增长。

当电压大于900V以达到更大的功率时，硅基功率MOSFET和IGBT将暴露其缺点。也就是说，它们在转换效率、开关频率和工作温度方面将受到限制。碳化硅（SiC）材料具有禁带宽度大（Si的3倍），导热性高（Si的3.3倍或GaAs的10倍），电子饱和迁移率高（Si的2.5倍）和高击穿电场（Si的10倍或GaAs的5倍）等性能。

SiC器件在高温、高压、高频、高功率电子器件等领域，以及航空航天、军事、核能等极端环境应用领域具有不可替代的优势。它弥补了传统半导体材料和器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。

碳化硅功率半导体器件的优势

我们称第三代半导体为宽带隙半导体，因为它们的物理结构。氮化镓和碳化硅是最常见的例子。它们在半导体性能特征方面与硅和砷化镓不同。它具有高禁带宽、高导热性、高击穿场强、高电子饱和漂移率等优点，使其更适合于高电压、高频、耐辐射等恶劣条件下的高温、大功率、小型化功率半导体器件。它可以有效地突破传统硅基功率半导体器件及其材料的物理极限。

总体而言，碳化硅的耐高压电阻是硅的10倍。耐高温是硅的两倍，高频能力是硅的两倍。与硅基模块相比，由碳化硅二极管和开关管组成的全碳模块不仅具有碳化硅材料的固有特性，而且可以使模块的体积减小50%以上，并将电子转换损耗降低80%以上。

SiC器件的典型应用有哪些？

5G 基础设施：通信电源

服务器和基站通信的储能是通信电源。它为各种传输设备提供电能，保证通信系统的正常运行。碳化硅MOSFET的高频特性使电源电路中的磁性单元更小更轻。碳化硅肖特基二极管的反向恢复特性几乎为零，这使其适用于许多PFC电路广泛。例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中使用650V/10A碳化硅肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于或等于95%的高科技要求。

新能源汽车充电桩：充电桩功率模块

新能源汽车产业的快速发展带动了充电极需求的增长。对于新能源电动汽车来说，提高充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。在充电桩的功率模块中使用碳化硅器件，可以实现充电桩功率模块的高效率和高功率，从而实现充电速度的提高和充电成本的降低。

大数据中心、工业互联网服务器电源

服务器电源是一个服务器能量库，用于保证服务器系统的正常运行。在服务器电源中使用碳化硅功率器件可以提高服务器电源的功率密度和效率。它还可以减小数据中心整体的规模，降低数据中心的整体建设成本，实现更高的环保效率。例如，在3kW服务器电源模块中。通过使用碳化硅MOSFET，图腾柱PFC可以大大提高服务器电源的效率，并满足更高的效率标准。

特高压：柔性输电直流断路器的应用

作为一个大型系统项目，特高压将从原材料和元器件上催促一系列要求。功率器件是 FACTS 柔性输电技术和电力电子变压器 （PET） 在输电端特高压直流输电中的关键部件。直流断路器作为柔性直流传输的主要部件之一，其可靠性对系统的整体稳定性有重大影响。在设计具有标准硅基器件的直流断路器时，必须串联多级子单元。在直流断路器中使用高压碳化硅器件可以大大减少串联子单元的数量，这是行业研究的重点。

城际高铁：牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源

未来，轨道交通对电力电子设备，如牵引变流器、电力电子电压互感器等提出了更高的要求。使用碳化硅功率器件可以显着提高这些器件的功率密度和效率。这将有助于显著降低轨道交通的承载系统。碳化硅器件可以进一步实现设备的高效率和小型化，在轨道交通中具有巨大的技术优势。日本的新干线N700S率先在牵引变流器中使用碳化硅动力器件，大大减轻了车辆重量，提高了承载效率，并降低了运营成本。

碳化硅衬底发展的关键

电动汽车和5G基础设施推动了对电力组件的需求。第三代半导体具有重要地位。中国、美国等主要国家都推动了SiC发展的政策。科技公司也急于投资它。业内分析人士表示，碳化硅衬底是碳化硅发展的关键。

近年来，第三代半导体已成为全球各国政府和行业的热点。有两种主要的催化剂。

首先是美国电动汽车制造商特斯拉首先采用了第三代半导体碳化硅（SiC）。其碳化硅产品使SiC组件实际上能够更好地散热并提高电动汽车的耐用性。

二是全球环保意识的提高。为了实现碳中和和净零碳排放，各国政府制定了淘汰燃油车的时间表，促使汽车制造商加速向电动汽车转型。

第三代半导体采用SiC和氮化镓（GaN）作为主要材料。它与以硅（Si）和锗（Ge）为主要材料的第一代半导体不同，第二代半导体使用砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），砷化铝镓（AlGaAs）作为主要材料。

在大功率应用中，第三代半导体具有能量间隙大、耐高温、功率密度高等特点。在高频应用中，它们具有低能耗和良好的散热特性。对电动汽车、5G基础设施和快速充电的需求是碳化硅的主要增长动力。

SiC晶体管和碳化硅基GaN晶体管是两种增长率较高的产品。他们的年复合增长率分别为27%和26%。这两种产品都需要使用SiC衬底。

此外，SiC功率元件的成本结构也基于含有晶体生长、切割和研磨的基板，占比最大，高达50%。外延占剩余时间的25%，制造占20%，密封后和测试占5%。

制造SiC基板很复杂，这是成本高的原因。SiC晶体的形成比Si晶体生长慢100至200倍。高度为200厘米的Si晶棒大约需要3天才能生长。SiC也坚硬而脆，使切割，研磨和抛光变得困难，并导致大量浪费。

SiC衬底不仅占功率元件成本的高比例，而且与产品质量密切相关。SiC的发展将严重依赖SiC衬底。包括意法半导体（ST）在内的制造商正在积极开发上游SiC衬底，以增强竞争力。