碳化硅（SiC）是第三代化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料可用于制造芯片，這是半導(dǎo)體行業(yè)的基石。碳化硅是通過(guò)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(dǎo)體材料是高純硅。第二代化合物半導(dǎo)體材料包括砷化鎵、磷化銦等。碳化硅和氮化鎵將成為未來(lái)的第三代核心材料。其優(yōu)越的物理性能：高帶隙、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性。高帶隙對(duì)應(yīng)于高擊穿電場(chǎng)和高功率密度。

半導(dǎo)體芯片中碳化硅的主要形式是襯底材料。半導(dǎo)體芯片有兩種是IC和分立器件。無(wú)論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可以分為“基板-外延器件”結(jié)構(gòu)。

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(dǎo)體襯底材料，碳化硅晶片可以通過(guò)外延生長(zhǎng)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(dǎo)電或半絕緣。其中，導(dǎo)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(chǎng)份額。半絕緣碳化硅襯底主要應(yīng)用于微波、射頻器件等領(lǐng)域。隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場(chǎng)需求大幅增加。

碳化硅有哪些優(yōu)點(diǎn)？

碳化硅（SiC）是大功率器件的理想材料

在半導(dǎo)體工業(yè)中，硅是第一代基礎(chǔ)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(dòng)汽車(chē)和5G等應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)大功率、高電壓、高頻器件的需求正在快速增長(zhǎng)。

當(dāng)電壓大于900V以達(dá)到更大的功率時(shí)，硅基功率MOSFET和IGBT將暴露其缺點(diǎn)。也就是說(shuō)，它們?cè)谵D(zhuǎn)換效率、開(kāi)關(guān)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(dǎo)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(chǎng)（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(lǐng)域，以及航空航天、軍事、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。

碳化硅功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)

我們稱第三代半導(dǎo)體為寬帶隙半導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兊奈锢斫Y(jié)構(gòu)。氮化鎵和碳化硅是最常見(jiàn)的例子。它們?cè)诎雽?dǎo)體性能特征方面與硅和砷化鎵不同。它具有高禁帶寬、高導(dǎo)熱性、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移率等優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)體器件。它可以有效地突破傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)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(kāi)關(guān)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(zhuǎn)換損耗降低80%以上。

SiC器件的典型應(yīng)用有哪些？

5G 基礎(chǔ)設(shè)施：通信電源

服務(wù)器和基站通信的儲(chǔ)能是通信電源。它為各種傳輸設(shè)備提供電能，保證通信系統(tǒng)的正常運(yùn)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(fù)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(wú)橋交錯(cuò)PFC電路中使用650V/10A碳化硅肖特基二極管，可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)滿載效率大于或等于95%的高科技要求。

新能源汽車(chē)充電樁：充電樁功率模塊

新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了充電極需求的增長(zhǎng)。對(duì)于新能源電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，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(biāo)。在充電樁的功率模塊中使用碳化硅器件，可以實(shí)現(xiàn)充電樁功率模塊的高效率和高功率，從而實(shí)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(wù)器電源

服務(wù)器電源是一個(gè)服務(wù)器能量庫(kù)，用于保證服務(wù)器系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在服務(wù)器電源中使用碳化硅功率器件可以提高服務(wù)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(shè)成本，實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)保效率。例如，在3kW服務(wù)器電源模塊中。通過(guò)使用碳化硅MOSFET，圖騰柱PFC可以大大提高服務(wù)器電源的效率，并滿足更高的效率標(biāo)準(zhǔn)。

特高壓：柔性輸電直流斷路器的應(yīng)用

作為一個(gè)大型系統(tǒng)項(xiàng)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(shù)和電力電子變壓器 （PET） 在輸電端特高壓直流輸電中的關(guān)鍵部件。直流斷路器作為柔性直流傳輸?shù)闹饕考唬淇煽啃詫?duì)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性有重大影響。在設(shè)計(jì)具有標(biāo)準(zhǔn)硅基器件的直流斷路器時(shí)，必須串聯(lián)多級(jí)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(diǎn)。

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(lái)，軌道交通對(duì)電力電子設(shè)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效率和小型化，在軌道交通中具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。日本的新干線N700S率先在牽引變流器中使用碳化硅動(dòng)力器件，大大減輕了車(chē)輛重量，提高了承載效率，并降低了運(yùn)營(yíng)成本。

碳化硅襯底發(fā)展的關(guān)鍵

電動(dòng)汽車(chē)和5G基礎(chǔ)設(shè)施推動(dòng)了對(duì)電力組件的需求。第三代半導(dǎo)體具有重要地位。中國(guó)、美國(guó)等主要國(guó)家都推動(dòng)了SiC發(fā)展的政策。科技公司也急于投資它。業(yè)內(nèi)分析人士表示，碳化硅襯底是碳化硅發(fā)展的關(guān)鍵。

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

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

二是全球環(huán)保意識(shí)的提高。為了實(shí)現(xiàn)碳中和和凈零碳排放，各國(guó)政府制定了淘汰燃油車(chē)的時(shí)間表，促使汽車(chē)制造商加速向電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)型。

第三代半導(dǎo)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(dǎo)體不同，第二代半導(dǎo)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(yīng)用中，第三代半導(dǎo)體具有能量間隙大、耐高溫、功率密度高等特點(diǎn)。在高頻應(yīng)用中，它們具有低能耗和良好的散熱特性。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、5G基礎(chǔ)設(shè)施和快速充電的需求是碳化硅的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。

SiC晶體管和碳化硅基GaN晶體管是兩種增長(zhǎng)率較高的產(chǎn)品。他們的年復(fù)合增長(zhǎng)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(jié)構(gòu)也基于含有晶體生長(zhǎng)、切割和研磨的基板，占比最大，高達(dá)50%。外延占剩余時(shí)間的25%，制造占20%，密封后和測(cè)試占5%。

制造SiC基板很復(fù)雜，這是成本高的原因。SiC晶體的形成比Si晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)。SiC也堅(jiān)硬而脆，使切割，研磨和拋光變得困難，并導(dǎo)致大量浪費(fèi)。

SiC襯底不僅占功率元件成本的高比例，而且與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。SiC的發(fā)展將嚴(yán)重依賴SiC襯底。包括意法半導(dǎo)體（ST）在內(nèi)的制造商正在積極開(kāi)發(fā)上游SiC襯底，以增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。