碳化硅(SiC)的前世今生！

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2022-03-17 07:29:46 0

SiC作為半導體材料具有優異的性能，尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。與傳統硅器件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車、鐵路、工業設備和家用消費電子設備中倍受歡迎。雖然SiC最后通過人工合成可以制造，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體材料。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因為禁帶寬度大于2.2eV統稱為寬禁帶半導體材料，在國內也稱為第三代半導體材料。

在半導體業內從材料端分為：

*代元素半導體材料：如硅（Si）和鍺(Ge)；

第二代化合物半導體材料：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前景最明朗的半導體材料，堪稱半導體產業內新一代“黃金賽道”。

歷史上人類*次發現碳化硅是在1891年，美國人艾奇遜在電溶金剛石的時候發現一種碳的化合物，這就是碳化硅*合成和發現。在經歷了百年的探索之后，特別是進入21世紀以后，人類終于理清了碳化硅的優點和特性，并利用碳化硅特性，做出各種新器件，碳化硅行業得到較快發展。

相比傳統的硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的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種晶體結構形態，分立方密排的閃鋅礦α晶型結構（2H、4H、6H、15R）和六角密排的纖鋅礦β晶型結構（3C-SiC）等。

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

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※ 碳化硅的性能優勢

如果只算碳化硅芯片，在功率半導體方面碳化硅的對比傳統硅基功率芯片，有著無可比擬的優勢：碳化硅能承受更大的電流和電壓、更高的開關速度、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的減少了電容、電感、線圈、散熱組件的部件，使得整個功率器件模組更加輕巧、節能、輸出功率更強，同時還增強了可靠性，優點十分明顯，具體總結如下：

1、更低的阻抗，帶來更小尺寸的產品設計和更高的效率；

2、適用于更高頻率和更快的開關速度；

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巨大的商業前景，但是所有投身這個行業的就會遇到*條最現實的問題，材料怎么辦？

目前傳統硅基產業極其成熟的商業環境，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*，產業規模才可能做大！

目前用直拉法，72小時能生長出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小時能長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的方法，生長速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小時也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。

所以大家可以想象，生產出來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在2000-3000元左右，6英寸襯底更是達到6000-8000元的水平，外延片至少再X2的價格以上，而且還有價無貨。

作為全*碳化硅龍頭企業，美國科銳（Cree）幾乎壟斷了70%以上的產能，因此國內外下游廠家，紛紛和科銳簽訂長期合約鎖定產能。

※ 碳化硅的市場

碳化硅MOSFET和碳化硅二極管用于太陽能，UPS，工業，汽車等應用：主要集中在光伏儲能中的逆變器，數據中心服務器的UPS電源，智能電網充電站等需要轉換效率較高的領域。但是隨著近些年電動和混合動力汽車（xEV）的發展，SiC也在這個新領域迅速崛起，輻射的產業包括能源（PV，EV充電，智能電網等）、汽車（OBC,逆變器）、基礎設施（服務器）等。

綜上，在不遠的將來，我們能預想到碳化硅會對電力電子行業產生革命性影響！

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