碳化硅(SiC)的前世今生！

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2022-03-17 07:29:46 2

SiC作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。與傳統(tǒng)硅器件相比可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開(kāi)關(guān)和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車(chē)、鐵路、工業(yè)設(shè)備和家用消費(fèi)電子設(shè)備中倍受歡迎。雖然SiC最后通過(guò)人工合成可以制造，但因加工極其困難，所以SiC功率元器件量產(chǎn)化曾一度令研究者們頭疼。

※ 啥是碳化硅（SiC）？

碳化硅是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因?yàn)榻麕挾却笥?.2eV統(tǒng)稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在國(guó)內(nèi)也稱為第三代半導(dǎo)體材料。

在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)從材料端分為：

*代元素半導(dǎo)體材料：如硅（Si）和鍺(Ge)；

第二代化合物半導(dǎo)體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；

第三代寬禁帶材料：如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。

其中碳化硅和氮化鎵是目前商業(yè)前景最明朗的半導(dǎo)體材料，堪稱半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)新一代“黃金賽道”。

歷史上人類(lèi)*次發(fā)現(xiàn)碳化硅是在1891年，美國(guó)人艾奇遜在電溶金剛石的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一種碳的化合物，這就是碳化硅*合成和發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)歷了百年的探索之后，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后，人類(lèi)終于理清了碳化硅的優(yōu)點(diǎn)和特性，并利用碳化硅特性，做出各種新器件，碳化硅行業(yè)得到較快發(fā)展。

相比傳統(tǒng)的硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8倍；電子飽和漂移速率為硅的2倍。種種特性意味著碳化硅特別適于制造耐高溫、耐高壓，耐大電流的高頻大功率的器件。

目前已知的碳化硅有約200種晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)，分立方密排的閃鋅礦α晶型結(jié)構(gòu)（2H、4H、6H、15R）和六角密排的纖鋅礦β晶型結(jié)構(gòu)（3C-SiC）等。

其中β晶型結(jié)構(gòu)（3C-SiC）可以用來(lái)制造高頻器件以及其他薄膜材料的襯底，例如用來(lái)生長(zhǎng)氮化鎵外延層、制造碳化硅基氮化鎵微波射頻器件等。α晶型4H可以用來(lái)制造大功率器件；6H最穩(wěn)定，可以用來(lái)制作光電器件。

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※ 碳化硅的性能優(yōu)勢(shì)

如果只算碳化硅芯片，在功率半導(dǎo)體方面碳化硅的對(duì)比傳統(tǒng)硅基功率芯片，有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：碳化硅能承受更大的電流和電壓、更高的開(kāi)關(guān)速度、更小的能量損失、更耐高溫。因此用碳化硅的做成的功率模組可以相應(yīng)的減少了電容、電感、線圈、散熱組件的部件，使得整個(gè)功率器件模組更加輕巧、節(jié)能、輸出功率更強(qiáng)，同時(shí)還增強(qiáng)了可靠性，優(yōu)點(diǎn)十分明顯，具體總結(jié)如下：

1、更低的阻抗，帶來(lái)更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更高的效率；

2、適用于更高頻率和更快的開(kāi)關(guān)速度；

3、*的高溫特性，能在更高溫度下工作。

※ 為什么碳化硅這么貴？

所有人都知道碳化硅未來(lái)巨大的商業(yè)前景，但是所有投身這個(gè)行業(yè)的就會(huì)遇到*條最現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，材料怎么辦？

目前傳統(tǒng)硅基產(chǎn)業(yè)極其成熟的商業(yè)環(huán)境，至少有一大半原因是硅材料較為容易得到。硅材料成熟且高效的制備技術(shù)使得硅材料目前十分低廉，目前6英寸硅拋光片僅150元，8英寸300元，12英寸850元左右。

只有原材料足夠*，產(chǎn)業(yè)規(guī)模才可能做大！

目前用直拉法，72小時(shí)能生長(zhǎng)出2-3米左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片。

你知道72小時(shí)能長(zhǎng)多少厚碳化硅單晶體嗎？只有幾厘米都不到！！！

目前最快的碳化硅單晶生長(zhǎng)的方法，生長(zhǎng)速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小時(shí)也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。

所以大家可以想象，生產(chǎn)出來(lái)的碳化硅單晶片能貴成啥樣了。目前4英寸碳化硅襯底售價(jià)在2000-3000元左右，6英寸襯底更是達(dá)到6000-8000元的水平，外延片至少再X2的價(jià)格以上，而且還有價(jià)無(wú)貨。

作為全*碳化硅龍頭企業(yè)，美國(guó)科銳（Cree）幾乎壟斷了70%以上的產(chǎn)能，因此國(guó)內(nèi)外下游廠家，紛紛和科銳簽訂長(zhǎng)期合約鎖定產(chǎn)能。

※ 碳化硅的市場(chǎng)

碳化硅MOSFET和碳化硅二極管用于太陽(yáng)能，UPS，工業(yè)，汽車(chē)等應(yīng)用：主要集中在光伏儲(chǔ)能中的逆變器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的UPS電源，智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但是隨著近些年電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)（xEV）的發(fā)展，SiC也在這個(gè)新領(lǐng)域迅速崛起，輻射的產(chǎn)業(yè)包括能源（PV，EV充電，智能電網(wǎng)等）、汽車(chē)（OBC,逆變器）、基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器）等。

綜上，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們能預(yù)想到碳化硅會(huì)對(duì)電力電子行業(yè)產(chǎn)生革命性影響！

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