第三代半导体“碳化硅（SiC）器件”基础知识详解

【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

半导体材料经过几十年的发展，第一代硅（Si）材料半导体已经接近完美晶体，对于硅（Si）材料的研究也非常透彻。基于硅（Si）材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅（Si）材料的极限，基于硅（Si）材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。因此，碳化硅（SiC）器件的基础知识就是本章节我要跟大家分享的内容：

一、碳化硅（SiC）材料的物性和特征

碳化硅（SiC）是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。SiC临界击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，热导率是Si的3倍，所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。SiC中存在各种多种晶型，它们的物性值也各不相同。其中，4H-SiC最合适用于功率器件制作。另外，SiC是唯一能够热氧化形成SiO2的化合物半导体，所以适合制备MOS型功率器件。

 

二、碳化硅（SiC）功率器件的特征

SiC的临界击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出高耐压功率器件。高耐压功率器件的导通电阻主要来源于漂移层电阻，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积的漂移层电阻可以降低到Si的1/300。而Si材料中，为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 绝缘栅双极型晶体管)等少数载流子器件（双极型器件），但是却存在开关损耗大的问题，其结果是由此产生的发热会限制IGBT的高频驱动。SiC材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和MOSFET)去实现高耐压，从而同时实现"高耐压"、"低导通电阻"、"高频"这三个特性。另外，带隙较宽，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作。

三、碳化硅（SiC） MOSFET特征

a. 器件结构和特征

Si材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大（以耐压值的约2～2.5次方的比例增加），因此600V以上的电压中主要采用IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）。IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在Turn-off时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。SiC器件漂移层电阻比Si器件低，不需要进行电导调制就能够以MOSFET实现高耐压和低导通电阻。而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。另外，SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现无源器件的小型化。与600V～900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小（可实现小型封装），而且体二极管的恢复损耗非常小。主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。

b. 标准化导通电阻

SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。因此，在相同的耐压值情况下，SiC可以得到单位面积导通电阻更低的器件。例如900V时，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以实现相同的导通电阻。不仅能够以小封装实现低导通电阻，而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。SJ-MOSFET只有900V的产品，但是SiC却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。因此，没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构（导通电阻变低，则开关速度变慢），就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。

c. Vd-Id特性

SiC-MOSFET与IGBT不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。而Si-MOSFET在150℃时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上，与Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比较低，因此易于热设计，且高温下的导通电阻也很低。

d. 驱动门极电压和导通电阻

SiC-MOSFET的漂移层阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照现在的技术水平，SiC-MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低，所以沟道部的阻抗比Si器件要高。因此，越高的门极电压，可以得到越低的导通电阻(Vgs=20V以上则逐渐饱和)。

四、碳化硅（SiC）的制备工艺与技术挑战

碳化硅（SiC）材料的制备是一个复杂且技术密集的过程，涉及晶体生长、衬底加工、外延生长等多个关键环节，每一环节都存在高技术壁垒：

1、晶体生长技术

a. 物理气相传输法(PVT)

当前主流工业化方法，将高纯碳化硅（SiC）粉料在2000°C以上高温区升华，然后在较低温的籽晶上重新结晶生长。这种方法设备相对简单但生长速度慢(0.1-0.5mm/h)，且晶体缺陷控制难度大。当前国内北方部分半导体企业已建成8英寸碳化硅中试线，产出直径超204毫米的单晶。

b. 高温化学气相沉积法(HTCVD)

通过硅烷和碳氢化合物在1800-2200°C下热分解反应生长晶体，能精确控制气相成分从而改善晶体质量，但设备复杂、成本高。这种方法适合生长高纯半绝缘碳化硅（SiC）衬底。

c. 液相法(LPE)

在较低温度(1500-1800°C)下从硅基熔体中生长碳化硅（SiC），缺陷密度低但生长速率极慢。2023年就已有企业采用液相法制备出低缺陷8英寸晶体，属业内首创。

2、衬底加工技术

生长出的碳化硅晶锭需要经过切割、研磨、抛光等工序加工成衬底片。由于碳化硅（SiC）硬度极高(莫氏硬度9.5，仅次于金刚石)，加工过程中易产生裂纹和表面损伤，需要特殊的金刚石切割线和精密抛光工艺。从4英寸到6英寸再到8英寸，每增大衬底尺寸都能显著提升芯片产出量(6英寸晶片一次可做成3000个芯片，是4英寸的三倍)，但大尺寸晶体的均匀性和缺陷控制难度呈指数级上升。

3、外延生长技术

大多数功率器件需要在导电型衬底上生长一层高质量的外延层，控制掺杂浓度和厚度是关键。碳化硅（SiC）外延通常采用化学气相沉积(CVD)在1500-1600°C下进行，需精确控制硅碳比、气流分布和温度均匀性以避免三角形缺陷和基平面位错等。2025年国产碳化硅（SiC）外延片在中国市场的收入占有率已突破30%。

五、碳化硅（SiC）的应用领域

凭借卓越的物理性能，碳化硅（SiC）已广泛应用于新能源汽车、电力电子、通信、航天国防等多个高技术领域，成为支撑能源革命和数字化转型的关键材料：

1、新能源汽车

碳化硅（SiC）器件(如MOSFET、SBD)可使电动汽车电机控制器的开关损耗降低70%，系统效率提升5-10%，从而在电池容量不变情况下增加续航里程10%左右。每辆电动汽车约消耗0.5-1片6英寸碳化硅（SiC）衬底，随着中国电动汽车保有量每年增长70%，仅此领域就将形成千亿级市场。当前也已有企业推出通流能力达1500A的氮化镓（GaN）分立器件，应用于新能源汽车主逆变器。

2、智能电网与电力系统

碳化硅（SiC）器件可大幅提升电力转换效率，国家电网已建成35千伏/5兆瓦碳化硅柔性变电站，实现"源网荷储"多元素交直流柔性互联。万伏级SiC MOSFET器件在高压直流输电、固态变压器等领域具有不可替代的优势，现已有国家第三代半导体技术创新中心研制的万伏级SiC MOSFET器件已于2024年实现50亿元营业收入。

3、5G通信与射频器件

半绝缘碳化硅（SiC）衬底上制备的氮化镓（GaN）HEMT器件能满足5G基站对高频、高效率的需求，根据已有的实验室发布的氮化镓（GaN）电源模块较传统硅基方案降低30%用电损耗并缩小30%体积。碳化硅（SiC）基射频器件在卫星通信、雷达等领域也表现优异，成为国防电子系统的核心元件。

4、工业电源与快充

碳化硅（SiC）器件的高频特性使电源系统可小型化、轻量化，一科技公司开发的800V转12V高频电源模块实现98%以上整链效率与超5000W/inch³功率密度。在快充领域，碳化硅（SiC）器件使充电器体积缩小一半的同时效率提升至95%以上，国内几大知名企业已量产基于碳化硅的PD快充适配器。

5、航天与极端环境应用

碳化硅（SiC）功率器件已成功通过太空验证，其抗辐射、耐高温特性使其成为卫星电源系统、深空探测器的理想选择。我国已成功研制米量级碳化硅反射镜，解决了大口径光学系统制造难题。在核工业、油气勘探等极端环境下，碳化硅传感器和电子系统也展现出长寿命、高可靠性优势。

六、碳化硅（SiC）产业发展现状与趋势

全球碳化硅（SiC）产业已进入快速成长期，在新能源汽车等需求拉动下，市场规模年均增长率超过30%。我国通过政策引导和技术创新，已在部分环节实现突破：

1、产业政策支持

我国"十四五"规划明确提出加速推动以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体新材料新技术产业化进程。国家第三代半导体技术创新中心等平台相继建立，多地政府也出台专项政策，湖南、山西、山东等地已形成碳化硅（SiC）产业集聚区。

2、产业链突破

a. 衬底制备

当前国内已有企业掌握8英寸衬底制备技术，并研制出业内首款12英寸p型碳化硅（SiC）衬底，为特高压功率器件国产化奠定基础。同时国内碳化硅（SiC）半导体材料产能国内第一的企业市场占有率超过50%。

b. 器件设计

2020年国家电网中国电科院成功研制首枚18千伏N沟道碳化硅（SiC）IGBT，2024年万伏级SiC MOSFET开始商业化应用。悉智科技的车规级主驱碳化硅（SiC）模块已在上汽智己、奇瑞捷途等品牌车型中大规模应用。

c. 装备与材料

碳化硅（SiC）长晶设备、切割研磨设备国产化率逐步提升，但部分高端装备仍依赖进口。高纯碳化硅粉体、石墨件等配套材料已能自主供应。

3、技术发展趋势

未来碳化硅（SiC）技术将围绕大尺寸、低缺陷、低成本三大方向演进：

a. 衬底尺寸从6英寸主流向8英寸过渡，可降低单位芯片成本30%以上；

b. 缺陷控制从每平方厘米数百个位错降至个位数，提升器件良率和可靠性；

c. 创新长晶技术(如连续生长)、减薄工艺等，提高材料利用率；

d. 模块封装向双面散热、三维集成发展，提升功率密度和散热效率。

七、总结一下

随着"双碳"战略推进，碳化硅（SiC）产业将迎来更广阔空间。专家预测，新能源汽车之后，电网应用将成为碳化硅（SiC）的第二波浪潮，需求规模堪比车规市场。到2030年，全球碳化硅（SiC）功率器件市场规模有望突破100亿美元，中国将成为最重要的生产和应用市场之一。

同时，也因为国家对第三代半导体材料的重视，近年来，我国半导体材料市场发展迅速。其中以碳化硅（SiC）为主的材料备受关注。尽管如此，但产业难题仍待解决，如我国材料的制造工艺和质量并未达到世界前列，材料制造设备依赖于进口严重，碳化硅（SiC）器件方面产业链尚未形成等，这些问题需逐步解决，方可让国产半导体材料屹立于世界前列。

免责声明

【我们尊重原创，也注重分享。文中的文字、图片版权归原作者所有，转载目的在于分享更多信息，不代表本号立场，如有侵犯您的权益请及时私信联系，我们将第一时间跟踪核实并作处理，谢谢！】

审核编辑 黄宇