碳化硅(SiC)是化合物半導體材料之一，具有獨特的材料性能。例如，它具有高電擊穿強度(硅的十倍)和導熱性(硅的三倍)。這些特性吸引了研究人員和工程師的更多關(guān)注。SiC最有前途的應(yīng)用之一是用于電子產(chǎn)品的功率器件。雖然硅基功率器件目前主導著市場，但這些器件的擊穿電壓有限。另一方面，由于SiC的電擊穿強度，SiC功率器件允許高效功率轉(zhuǎn)換而不會擊穿。SiC功率器件在汽車、火車和航空航天等需要在高壓和高溫下工作的市場中的潛在增長預(yù)計將是巨大的。

碳化硅(SiC)是一種由硅和碳組成的半導體材料，用于制造用于高壓應(yīng)用的功率器件，例如電動汽車(EV)、電源、電機控制電路和逆變器。與傳統(tǒng)的硅基功率器件(如IGBT和MOSFET)相比，SiC具有多種優(yōu)勢，后者憑借其成本效益和制造工藝的簡單性長期主導市場。

在電力電子應(yīng)用中，固態(tài)器件需要在高開關(guān)頻率下工作，同時提供低導通電阻、低開關(guān)損耗和出色的熱管理。在電子領(lǐng)域，設(shè)計人員面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn)，目的是最大限度地提高效率、減小尺寸、提高設(shè)備的可靠性和耐用性以及降低成本。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，使用寬帶隙(WBG)材料(如SiC)可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更高的擊穿電壓，從而實現(xiàn)更小、更快、更可靠和更高效的功率器件。在圖1中，比較了硅和SiC的一些主要電氣特性。

關(guān)于制造工藝，迄今為止最困難的挑戰(zhàn)之一是從100毫米(4英寸)晶圓過渡到150毫米(6英寸)晶圓。雖然晶圓尺寸的增加提供了大幅降低組件單位成本的優(yōu)勢，但另一方面，它在消除缺陷和提高所交付半導體的可靠性方面提出了苛刻的挑戰(zhàn)。

市場面臨的挑戰(zhàn)主要涉及對電源解決方案的需求，以滿足對車輛電氣化和電池充電系統(tǒng)日益增長的需求。汽車行業(yè)無疑是SiC生產(chǎn)商主要精力集中的行業(yè)之一。制造下一代電動汽車將需要一種滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本的嚴格要求的技術(shù)。

盡管SiC的特性已經(jīng)為人所知一段時間，但第一批SiC功率器件的生產(chǎn)相對較新，從2000年代初開始，通過部署100毫米晶圓開始。幾年前，大多數(shù)制造商完成了向150毫米晶圓的過渡，而200毫米(8英寸)晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)將在未來幾年內(nèi)投入使用。

SiC晶圓從4英寸過渡到6英寸并非沒有問題，這與難以保持相同的質(zhì)量和相同的產(chǎn)量有關(guān)。生產(chǎn)SiC的主要挑戰(zhàn)涉及材料的特性。由于其硬度(幾乎像金剛石一樣)，SiC需要更高的溫度、更多的能量和更多的時間來生長和加工晶體。此外，使用最廣泛的晶體結(jié)構(gòu)(4H-SiC)的特點是高透明度和高折射率，因此很難檢查材料是否存在可能影響外延生長或最終組件產(chǎn)量的表面缺陷。

SiC基板制造過程中可能發(fā)生的主要缺陷是晶體堆疊故障，微管，凹坑，劃痕，污漬和表面顆粒。這些因素可能對SiC器件的性能產(chǎn)生不利影響，在150毫米晶圓上比在100毫米晶圓上更頻繁地檢測到。由于SiC是世界上第三硬的復(fù)合材料，而且非常脆弱，因此其生產(chǎn)帶來了與周期時間，成本和切割性能相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

可以肯定的是，即使切換到200毫米晶圓也會引起重大問題。事實上，有必要保證基板的相同質(zhì)量，面臨不可避免的更高密度的缺陷。

電動汽車中的碳化硅

SiC器件的主要應(yīng)用之一當然是汽車，特別是電動汽車和插電式混合動力電動汽車(PHEV)的生產(chǎn)。下一代電動汽車需要能夠提高車輛效率(隨之而來的續(xù)航里程增加)和電池充電速度的功率器件。

事實證明，SiC逆變器是滿足這些要求的關(guān)鍵解決方案。除了將輸入直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，逆變器還根據(jù)驅(qū)動需要控制提供給電機的功率水平。隨著汽車電動公交車從400 V逐漸遷移到800 V，逆變器的作用變得更加重要。傳統(tǒng)的逆變器在將能量從電池傳輸?shù)诫姍C方面提供的效率在大約97%到98%之間，而基于SiC的逆變器可以達到高達99%的效率。重要的是要強調(diào)效率提高小數(shù)點后一位或兩位如何為整輛車帶來非常顯著的優(yōu)勢。圖2顯示了硅基IGBT和SiC基MOSFET的導通開關(guān)損耗之間的比較，證實與硅相比，SiC的損耗降低了76%。

SiC逆變器是這些類型應(yīng)用的理想選擇，因為它們可以承受高電壓和高溫，并允許減小所有其他組件的尺寸。通過使用電壓為800 V的電池，可以降低所需的電流，并且可以使用更小的電纜，從而降低成本和車輛重量，并簡化電氣系統(tǒng)的組裝階段?？偟膩碚f，這提高了EV或PHEV的續(xù)航里程和效率。通過使用800V電池，由于使用了基于SiC的大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，充電時間可以大幅縮短(與400 V電池所需的時間相比，充電時間縮短至五分之一)。它們的高效率使得在充電過程中最大限度地傳遞到電池的能量成為可能，而功率損耗可以忽略不計。圖3顯示了可以有效使用SiC功率器件的一些汽車領(lǐng)域，例如逆變器、轉(zhuǎn)換器和電池充電器。

SiC允許功率器件在更高的溫度、電壓和開關(guān)頻率下工作，使電力電子模塊比使用硅等傳統(tǒng)半導體制造的模塊功能更強大、更節(jié)能。SiC提供的主要優(yōu)勢可以總結(jié)如下：

更高的開關(guān)頻率

更高的工作溫度

效率更高

更低的開關(guān)損耗

高功率密度

減小尺寸和重量

更好的熱管理

SiC的作用領(lǐng)域注定要擴大，包括所有需要比基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)器件更高的效率或更高功率密度的關(guān)鍵應(yīng)用。盡管這兩種技術(shù)之間存在成本差異，但在電信行業(yè)等多種電源應(yīng)用中使用SiC有助于降低系統(tǒng)的總體成本。例如，這是由于消除了散熱器和冷卻系統(tǒng)，或者由于無源設(shè)備的尺寸和成本的減小。

SiC最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用當然是5G移動技術(shù)，其速度比之前的4G LTE技術(shù)高20×。為了更快地運行，我們需要能夠處理更高功率密度、具有更好熱效率(避免危險的硬件系統(tǒng)過熱)并為實現(xiàn)高效率而優(yōu)化的設(shè)備。這些雄心勃勃的性能目標與功率MOSFET和肖特基二極管等SiC器件的優(yōu)勢完美匹配，這些器件能夠在數(shù)百伏的電壓和高于硅可以承受的溫度下工作。

審核編輯：湯梓紅

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