碳化硅是如何制造的？碳化硅的优点和应用

碳化硅，又称SiC，是一种由纯硅和纯碳组成的半导体基材。您可以将SiC与氮或磷掺杂以形成n型半导体，或将其与铍、硼、铝或镓掺杂以形成p型半导体。虽然碳化硅的品种和纯度很多，但半导体级质量的碳化硅只是在过去几十年中才浮出水面。

碳化硅是如何制造的？

最简单的碳化硅制造方法涉及在高达2500摄氏度的高温下熔化硅砂和碳，例如煤。更深、更常见的碳化硅通常包括铁和碳杂质，但纯碳化硅晶体是无色的，当碳化硅在2700摄氏度下升华时形成。一旦加热，这些晶体就会在较冷的温度下沉积在石墨上，这个过程被称为Lely方法。

Lely法：在此过程中，花岗岩坩埚通常通过感应加热到非常高的温度，以升华碳化硅粉末。温度较低的石墨棒悬浮在气态混合物中，这固有地允许纯碳化硅沉积并形成晶体。

化学气相沉积：或者，制造商使用化学气相沉积来生长立方碳化硅，化学气相沉积通常用于碳基合成工艺和半导体工业。在这种方法中，一种特殊的气体化学混合物进入真空环境并在沉积到基材上之前结合。

这两种碳化硅晶圆生产方法都需要大量的能源、设备和知识才能成功。

碳化硅是做什么用的？碳化硅的优点

从历史上看，制造商在高温环境中将碳化硅用于轴承、加热机械部件、汽车制动器甚至磨刀工具等设备。在电子和半导体应用中，SiC的优势主要优点是：

120-270 W/mK的高导热系数

热膨胀系数低：4.0x10^-6/°C

最大电流密度高

这三个特性结合在一起，使SiC具有出色的导电性，特别是与硅相比，硅是SiC更受欢迎的表亲。SiC的材料特性使其在需要大电流、高温和高导热性的高功率应用中具有很大的优势。

近年来，碳化硅已成为半导体行业的关键参与者，为MOSFET、肖特基二极管和功率模块供电，用于高功率、高效率应用。虽然比硅MOSFET更昂贵，硅MOSFET通常限制在900V的击穿电压，但SiC允许接近10kV的电压阈值。

SiC还具有非常低的开关损耗，可以支持高工作频率，这使其能够实现目前无与伦比的效率，尤其是在工作电压超过600伏的应用中。通过适当的实施，SiC器件可以将转换器和逆变器系统损耗降低近50%，尺寸降低300%，整体系统成本降低20%。整体系统尺寸的减小使SiC能够在重量和空间敏感的应用中非常有用。

碳化硅应用

许多制造商正在电动汽车、太阳能系统和数据中心等应用中使用碳化硅。这些以效率为导向的系统都会导致高电压和高温。我们看到，全球正在大力推动碳化硅取代其他材料，以减少因较高电压下的功率效率低下而导致的碳排放。尽管电动汽车和太阳能等尖端技术正在率先使用碳化硅，但我们预计很快就会看到更多传统行业效仿。

由于行业对高质量、可靠性和效率的需求，碳化硅在汽车领域变得流行起来。碳化硅可以出色地满足高电压需求。碳化硅有可能通过提高整体系统效率来增加电动汽车的行驶距离，特别是在逆变器系统中，这增加了车辆的整体节能效果，同时减小了电池管理系统的尺寸和由此产生的重量。

在电动汽车中使用碳化硅可以将电动汽车制造成本和每辆车的拥有成本降低近2美元。碳化硅还优化了电动汽车快速充电过程，该过程通常在kV范围内运行，可以将整体系统损耗降低，将功率密度提高30%，并将组件数量减少30%。这种效率将使快速充电站更小、更快、更具成本效益。

在太阳能行业，碳化硅逆变器优化在提高效率和节约成本方面也发挥着重要作用。在太阳能逆变器中使用碳化硅可将系统的开关频率提高到标准硅的两到三倍。这种开关频率的增加可以减少电路的磁性元件，从而节省大量空间和成本。因此，基于碳化硅的逆变器设计的尺寸和重量几乎是硅基逆变器的一半。鼓励太阳能制造商和工程师使用碳化硅而不是氮化镓等其他材料的另一个因素是其强大的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太阳能系统能够实现连续运行十多年所需的稳定寿命。

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审核编辑：汤梓红