碳化硅，也稱為SiC，是一種由純硅和純碳組成的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。您可以將SiC與氮或磷摻雜以形成n型半導(dǎo)體，或?qū)⑵渑c鈹，硼，鋁或鎵摻雜以形成p型半導(dǎo)體。雖然碳化硅存在許多品種和純度，但半導(dǎo)體級質(zhì)量的碳化硅僅在過去幾十年中浮出水面以供使用。

碳化硅是如何制造的？

最簡單的碳化硅制造方法包括在高達(dá)2500攝氏度的高溫下熔化硅砂和碳，例如煤。較暗，更常見的碳化硅版本通常包括鐵和碳雜質(zhì)，但純SiC晶體是無色的，當(dāng)碳化硅在2700攝氏度升華時形成。一旦加熱，這些晶體在較低的溫度下沉積到石墨上，這個過程稱為Lely方法。

Lely法：在此過程中，花崗巖坩堝通常通過感應(yīng)加熱到非常高的溫度，以升華碳化硅粉末。溫度較低的石墨棒懸浮在氣態(tài)混合物中，這固有地允許純碳化硅沉積并形成晶體。

化學(xué)氣相沉積：或者，制造商使用化學(xué)氣相沉積來生長立方碳化硅，化學(xué)氣相沉積通常用于碳基合成工藝并用于半導(dǎo)體工業(yè)。在這種方法中，一種特殊的氣體化學(xué)混合物進(jìn)入真空環(huán)境并在沉積到基材上之前結(jié)合。

碳化硅晶圓生產(chǎn)的兩種方法都需要大量的能源、設(shè)備和知識才能成功。

碳化硅有什么用？碳化硅的優(yōu)勢

從歷史上看，制造商在高溫環(huán)境中使用碳化硅來制造軸承、加熱機(jī)械部件、汽車制動器甚至磨刀工具等設(shè)備。在電子和半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC的優(yōu)勢主要在于：

120-270 W/mK的高導(dǎo)熱系數(shù)

熱膨脹系數(shù)低至4.0x10^-6/°C

高最大電流密度

這三個特性相結(jié)合，使SiC具有出色的導(dǎo)電性，特別是與SiC更受歡迎的表親硅相比。SiC的材料特性使其非常適合需要高電流、高溫和高導(dǎo)熱性的高功率應(yīng)用。

近年來，SiC已成為半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵參與者，為用于高功率、高效率應(yīng)用的MOSFET、肖特基二極管和功率模塊供電。雖然比硅MOSFET更昂貴（通常僅限于900V的擊穿電壓），但SiC允許接近10kV的電壓閾值。

SiC還具有非常低的開關(guān)損耗，并且可以支持高工作頻率，這使其能夠?qū)崿F(xiàn)目前無與倫比的效率，尤其是在工作電壓超過600伏的應(yīng)用中。通過正確實施，SiC器件可以將轉(zhuǎn)換器和逆變器系統(tǒng)損耗降低近50%，尺寸降低300%，整體系統(tǒng)成本降低20%。整體系統(tǒng)尺寸的減小使SiC能夠在重量和空間敏感型應(yīng)用中非常有用。

碳化硅應(yīng)用

許多制造商正在推動在電動汽車、電動汽車充電站、太陽能系統(tǒng)和暖通空調(diào)等應(yīng)用中使用SiC。這些以效率為導(dǎo)向的系統(tǒng)都會導(dǎo)致高電壓和高溫。我們看到全球大力推動在其他材料上實施SiC，以減少因較高電壓下的功率效率低下而導(dǎo)致的碳排放。盡管電動汽車和太陽能等尖端技術(shù)正在引領(lǐng)SiC的使用，但我們預(yù)計很快就會看到更多的傳統(tǒng)行業(yè)效仿。

由于行業(yè)對高質(zhì)量、可靠性和高效率的需求，SiC在汽車行業(yè)變得很受歡迎。SiC可以滿足高壓要求。碳化硅有可能通過提高整體系統(tǒng)效率來增加電動汽車的行駛距離，特別是在逆變器系統(tǒng)中，這增加了車輛的整體節(jié)能，同時減小了電池管理系統(tǒng)的尺寸和重量。

高盛甚至預(yù)測，在電動汽車中使用碳化硅可以使電動汽車制造成本和每輛車擁有成本降低近2，000美元。SiC還優(yōu)化了通常在kV范圍內(nèi)運(yùn)行的電動汽車快速充電工藝，可將整體系統(tǒng)損耗降低近30%，將功率密度提高30%，并將組件數(shù)量減少30%。這種效率將使快速充電站更小、更快、更具成本效益。

在太陽能行業(yè)，支持SiC的逆變器優(yōu)化在效率和成本節(jié)約方面也起著重要作用。在太陽能逆變器中使用碳化硅可將系統(tǒng)的開關(guān)頻率提高到標(biāo)準(zhǔn)硅的兩到三倍。這種開關(guān)頻率的提高可以減少電路的磁性元件，從而節(jié)省大量空間和成本。因此，基于碳化硅的逆變器設(shè)計的尺寸和重量幾乎是硅基逆變器的一半。鼓勵太陽能制造商和工程師使用SiC而不是其他材料（如氮化鎵）的另一個因素是其強(qiáng)大的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太陽能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行十多年所需的穩(wěn)定壽命。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

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審核編輯：湯梓紅

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