碳化硅（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體材料可用于制造芯片，這是半導體行業(yè)的基石。碳化硅是通過在電阻爐中高溫熔化石英砂，石油焦，鋸末等原材料而制造的。

芯片有三種核心材料。目前第一代半導體材料是高純硅。第二代化合物半導體材料包括砷化鎵、磷化銦等。碳化硅和氮化鎵將成為未來的第三代核心材料。其優(yōu)越的物理性能：高帶隙、高導電性、高導熱性。高帶隙對應于高擊穿電場和高功率密度。

半導體芯片中碳化硅的主要形式是襯底材料。半導體芯片有兩種是IC和分立器件。無論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可以分為“基板-外延器件”結構。

碳化硅晶片是由碳化硅晶體的切割、研磨、拋光、清洗等工藝形成的單晶硅片。作為半導體襯底材料，碳化硅晶片可以通過外延生長和器件制造制成基于碳化硅的功率器件和微波射頻器件。

碳化硅晶圓根據(jù)其電阻率分為導電或半絕緣。其中，導電碳化硅片主要用于制造耐高溫高壓功率器件。它占據(jù)了很大的市場份額。半絕緣碳化硅襯底主要應用于微波、射頻器件等領域。隨著5G通信網(wǎng)絡的加速建設，市場需求大幅增加。

碳化硅有哪些優(yōu)點？

碳化硅（SiC）是大功率器件的理想材料

在半導體工業(yè)中，硅是第一代基礎材料。目前，世界上95%以上的集成電路元件都是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動汽車和5G等應用的發(fā)展，對大功率、高電壓、高頻器件的需求正在快速增長。

當電壓大于900V以達到更大的功率時，硅基功率MOSFET和IGBT將暴露其缺點。也就是說，它們在轉換效率、開關頻率和工作溫度方面將受到限制。碳化硅（SiC）材料具有禁帶寬度大（Si的3倍），導熱性高（Si的3.3倍或GaAs的10倍），電子飽和遷移率高（Si的2.5倍）和高擊穿電場（Si的10倍或GaAs的5倍）等性能。

SiC器件在高溫、高壓、高頻、高功率電子器件等領域，以及航空航天、軍事、核能等極端環(huán)境應用領域具有不可替代的優(yōu)勢。它彌補了傳統(tǒng)半導體材料和器件在實際應用中的缺陷，正逐漸成為功率半導體的主流。

碳化硅功率半導體器件的優(yōu)勢

我們稱第三代半導體為寬帶隙半導體，因為它們的物理結構。氮化鎵和碳化硅是最常見的例子。它們在半導體性能特征方面與硅和砷化鎵不同。它具有高禁帶寬、高導熱性、高擊穿場強、高電子飽和漂移率等優(yōu)點，使其更適合于高電壓、高頻、耐輻射等惡劣條件下的高溫、大功率、小型化功率半導體器件。它可以有效地突破傳統(tǒng)硅基功率半導體器件及其材料的物理極限。

總體而言，碳化硅的耐高壓電阻是硅的10倍。耐高溫是硅的兩倍，高頻能力是硅的兩倍。與硅基模塊相比，由碳化硅二極管和開關管組成的全碳模塊不僅具有碳化硅材料的固有特性，而且可以使模塊的體積減小50%以上，并將電子轉換損耗降低80%以上。

SiC器件的典型應用有哪些？

5G 基礎設施：通信電源

服務器和基站通信的儲能是通信電源。它為各種傳輸設備提供電能，保證通信系統(tǒng)的正常運行。碳化硅MOSFET的高頻特性使電源電路中的磁性單元更小更輕。碳化硅肖特基二極管的反向恢復特性幾乎為零，這使其適用于許多PFC電路廣泛。例如，在3kW高效通信電源無橋交錯PFC電路中使用650V/10A碳化硅肖特基二極管，可以幫助客戶實現(xiàn)滿載效率大于或等于95%的高科技要求。

新能源汽車充電樁：充電樁功率模塊

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動了充電極需求的增長。對于新能源電動汽車來說，提高充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標。在充電樁的功率模塊中使用碳化硅器件，可以實現(xiàn)充電樁功率模塊的高效率和高功率，從而實現(xiàn)充電速度的提高和充電成本的降低。

大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務器電源

服務器電源是一個服務器能量庫，用于保證服務器系統(tǒng)的正常運行。在服務器電源中使用碳化硅功率器件可以提高服務器電源的功率密度和效率。它還可以減小數(shù)據(jù)中心整體的規(guī)模，降低數(shù)據(jù)中心的整體建設成本，實現(xiàn)更高的環(huán)保效率。例如，在3kW服務器電源模塊中。通過使用碳化硅MOSFET，圖騰柱PFC可以大大提高服務器電源的效率，并滿足更高的效率標準。

特高壓：柔性輸電直流斷路器的應用

作為一個大型系統(tǒng)項目，特高壓將從原材料和元器件上催促一系列要求。功率器件是 FACTS 柔性輸電技術和電力電子變壓器 （PET） 在輸電端特高壓直流輸電中的關鍵部件。直流斷路器作為柔性直流傳輸?shù)闹饕考?，其可靠性對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性有重大影響。在設計具有標準硅基器件的直流斷路器時，必須串聯(lián)多級子單元。在直流斷路器中使用高壓碳化硅器件可以大大減少串聯(lián)子單元的數(shù)量，這是行業(yè)研究的重點。

城際高鐵：牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

未來，軌道交通對電力電子設備，如牽引變流器、電力電子電壓互感器等提出了更高的要求。使用碳化硅功率器件可以顯著提高這些器件的功率密度和效率。這將有助于顯著降低軌道交通的承載系統(tǒng)。碳化硅器件可以進一步實現(xiàn)設備的高效率和小型化，在軌道交通中具有巨大的技術優(yōu)勢。日本的新干線N700S率先在牽引變流器中使用碳化硅動力器件，大大減輕了車輛重量，提高了承載效率，并降低了運營成本。

碳化硅襯底發(fā)展的關鍵

電動汽車和5G基礎設施推動了對電力組件的需求。第三代半導體具有重要地位。中國、美國等主要國家都推動了SiC發(fā)展的政策?？萍脊疽布庇谕顿Y它。業(yè)內(nèi)分析人士表示，碳化硅襯底是碳化硅發(fā)展的關鍵。

近年來，第三代半導體已成為全球各國政府和行業(yè)的熱點。有兩種主要的催化劑。

首先是美國電動汽車制造商特斯拉首先采用了第三代半導體碳化硅（SiC）。其碳化硅產(chǎn)品使SiC組件實際上能夠更好地散熱并提高電動汽車的耐用性。

二是全球環(huán)保意識的提高。為了實現(xiàn)碳中和和凈零碳排放，各國政府制定了淘汰燃油車的時間表，促使汽車制造商加速向電動汽車轉型。

第三代半導體采用SiC和氮化鎵（GaN）作為主要材料。它與以硅（Si）和鍺（Ge）為主要材料的第一代半導體不同，第二代半導體使用砷化鎵（GaAs），磷化銦（InP），砷化鋁鎵（AlGaAs）作為主要材料。

在大功率應用中，第三代半導體具有能量間隙大、耐高溫、功率密度高等特點。在高頻應用中，它們具有低能耗和良好的散熱特性。對電動汽車、5G基礎設施和快速充電的需求是碳化硅的主要增長動力。

SiC晶體管和碳化硅基GaN晶體管是兩種增長率較高的產(chǎn)品。他們的年復合增長率分別為27%和26%。這兩種產(chǎn)品都需要使用SiC襯底。

此外，SiC功率元件的成本結構也基于含有晶體生長、切割和研磨的基板，占比最大，高達50%。外延占剩余時間的25%，制造占20%，密封后和測試占5%。

制造SiC基板很復雜，這是成本高的原因。SiC晶體的形成比Si晶體生長慢100至200倍。高度為200厘米的Si晶棒大約需要3天才能生長。SiC也堅硬而脆，使切割，研磨和拋光變得困難，并導致大量浪費。

SiC襯底不僅占功率元件成本的高比例，而且與產(chǎn)品質量密切相關。SiC的發(fā)展將嚴重依賴SiC襯底。包括意法半導體（ST）在內(nèi)的制造商正在積極開發(fā)上游SiC襯底，以增強競爭力。