中國粉體網(wǎng)訊 半導(dǎo)體行業(yè)作為現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是支撐國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要行業(yè)。第三代半導(dǎo)體指的是SiC、GaN、ZnO、金剛石（C）、AlN等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導(dǎo)體材料。碳化硅是目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料。
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1 碳化硅晶體結(jié)構(gòu)
碳化硅（SiC）由碳（C）原子和硅（Si）原子組成，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕見，主要通過人工合成。其晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型體的特點，在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常見的是具有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的3C-SiC和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC和6H-SiC。
2 碳化硅基本性質(zhì)
碳化硅硬度在20℃時高達(dá)莫氏9.2-9.3，是最硬的物質(zhì)之一，可以用于切割紅寶石；
導(dǎo)熱率超過金屬銅，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其熱穩(wěn)定性高，在常壓下不可能被熔化；
碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點，其禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場為Si的10倍。
4H-SiC和6H-SiC的材料參數(shù)
3 碳化硅材料的發(fā)展歷程
1824年，當(dāng)時的瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的實驗中意外發(fā)現(xiàn)了碳化硅這一物質(zhì)。但因為碳化硅在自然界存量極少，沒能引起足夠的關(guān)注。
1885年，另一位化學(xué)家Acheson在石英砂與碳的混合加熱過程中，高溫生成了SiC晶體，這也是人類歷史上首次制備純凈的碳化硅。
1959年，一位荷蘭科學(xué)家提出了一種通過升華的方式讓單晶體生長的方法，隨后又在1978年被俄羅斯科學(xué)家進(jìn)行了改良和優(yōu)化。
1979年，以碳化硅為主要材料的藍(lán)色發(fā)光二極管被發(fā)明了出來。
直到現(xiàn)在，在后續(xù)的研發(fā)和應(yīng)用過程中，碳化硅以各種形態(tài)和應(yīng)用方式在電子信息存儲、傳輸和數(shù)據(jù)通訊等相關(guān)行業(yè)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用，憑借其穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料特質(zhì)，在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展空間。
4 碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢
碳化硅晶體材料應(yīng)用優(yōu)點
5 碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈
碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括“碳化硅高純粉料→單晶襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應(yīng)用”等環(huán)節(jié)。
5.1 碳化硅高純粉料
碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長質(zhì)量以及電學(xué)性能。
碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機(jī)械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學(xué)氣相沉積法、等離子體法和激光誘導(dǎo)法等。
5.2 單晶襯底
單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD法）等。
碳化硅單晶生長方法對比表
5.3 外延片
碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。
目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學(xué)氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。其中，CVD法是制備高質(zhì)量碳化硅晶體薄膜材料與器件的主要方法。
5.4 功率器件
采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。
按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。
從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領(lǐng)域的功率器件。
5.5 模塊封裝
模塊封裝可以優(yōu)化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性，可靈活地將功率器件與不同的應(yīng)用方案結(jié)合。
目前，量產(chǎn)階段的相關(guān)功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主，少數(shù)采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。
5.6 終端應(yīng)用
碳化硅器件具有體積小、功率大、頻率高、能耗低、損耗小、耐高壓等優(yōu)點。當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域：各類電源及服務(wù)器，光伏逆變器，風(fēng)電逆變器，新能源汽車的車載充電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、直流充電樁，變頻空調(diào)，軌道交通，軍工等。
6 碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體目前存在問題
①大尺寸SiC單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。
目前國際上已經(jīng)開發(fā)出了8英寸SiC單晶樣品，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術(shù)；p型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。
中國SiC單晶材料領(lǐng)域還存在以下問題：SiC單晶企業(yè)無法為國內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的6英寸芯片工藝線提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料；SiC材料的檢測設(shè)備完全被國外公司所壟斷。
②n型SiC外延生長技術(shù)有待進(jìn)一步提高。
③SiC功率器件的市場優(yōu)勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導(dǎo)體器件市場上的主體地位。
國際SiC器件領(lǐng)域：SiC功率器件向大容量方向發(fā)展受限制；SiC器件工藝技術(shù)水平比較低；缺乏統(tǒng)一的測試評價標(biāo)準(zhǔn)。
中國SiC功率器件領(lǐng)域存在以下3個方面差距：（1）在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨立的研發(fā)能力，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。（2）SiC芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(nèi)大規(guī)模建立SiC工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。（3）SiC器件高端檢測設(shè)備被國外所壟斷。
④目前SiC功率模塊存在的主要問題：（1）采用多芯片并聯(lián)的SiC功率模塊，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無法發(fā)揮SiC器件的優(yōu)良性能；SiC功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。（2）SiC功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。
⑤SiC功率器件的驅(qū)動技術(shù)尚不成熟。
⑥SiC器件的應(yīng)用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只適合于對精度要求較低的常規(guī)工業(yè)場合。
7 SiC器件在各行業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢
電源/大型服務(wù)器：用于電源及功率因數(shù)校正器內(nèi)部，減積減重、提高效率、降低損耗。
光伏：用于光伏逆變器中，光伏發(fā)電產(chǎn)生的電流為直流電，需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電以實現(xiàn)并網(wǎng)。采用SiC功率器件可以減積減重；提高逆變轉(zhuǎn)化效率2%左右，綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%；降低損耗，提高光伏發(fā)電站經(jīng)濟(jì)效益；SiC材料特性，降低故障率。
風(fēng)電：用于風(fēng)電整流器、逆變器、變壓器，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的交流電易受風(fēng)力影響使得電壓、電流不穩(wěn)定，先要經(jīng)過整流為直流電后再逆變成交流電實現(xiàn)并網(wǎng)，提高效率、降低損耗，同時成本和質(zhì)量分別減少50%和25%。
新能源汽車車載充電機(jī)（OBC）：減積減重、提高效率、降低損耗。
新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)：利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3，減積減重；電力損耗減少47%，開關(guān)損耗85%，提升電力使用效率；開關(guān)頻率可達(dá)硅基IGBT10倍以上，提高開關(guān)頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重；發(fā)熱量也只有硅器件的1/2，有非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，散熱處理更容易，散熱體積減小，可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%，甚至消除了二次液體的冷卻系統(tǒng)，減積減重；可實現(xiàn)逆變器與馬達(dá)一體化，減積減重。可綜合提高新能源汽車5%~10%左右的續(xù)航里程。
新能源汽車直流充電樁：減積減重；提高充電效率至少1%，達(dá)到96%以上的轉(zhuǎn)化效率；由于SiC功率器件對溫度依賴性較低，提高夏季高溫時段電能轉(zhuǎn)化效率；降低電能損耗，提升大型充電站的經(jīng)濟(jì)效益；充電樁系統(tǒng)成本與硅基基本持平，性價比較高。
空調(diào)：用于變頻空調(diào)前端的功率因數(shù)校正（PFC）電源內(nèi)部，體積和質(zhì)量大幅減少1/2以上，功耗降低15%，綜合成本降低10%。
軌道交通：采用SiC逆變器，可使車輛系統(tǒng)電力損耗降低30%以上，零部件體積及質(zhì)量減少40%，效率及速度提升。
電磁感應(yīng)加熱：減積減重、提高效率、降低損耗。
軍工領(lǐng)域：各種車載、機(jī)載、船載、彈載等電源裝置，減積減重、提高效率、降低損耗。
8結(jié)語
碳化硅憑借其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)獲得了廣泛的應(yīng)用，迅速占領(lǐng)了半導(dǎo)體材料市場的半壁江山。隨著生產(chǎn)成本的不斷下降，優(yōu)異的性能讓碳化硅在功率器件的行業(yè)中實現(xiàn)了對硅單質(zhì)半導(dǎo)體的逐步取代。而面對世界范圍內(nèi)發(fā)展空間巨大的碳化硅半導(dǎo)體市場，我國需要盡快提升研發(fā)實力，完善碳化硅半導(dǎo)體的發(fā)展體系。
參考來源：
【1】楊璽，等.簡析碳化硅在半導(dǎo)體行業(yè)中的發(fā)展?jié)摿?云南科技管理.2019.
【2】蔡蔚，等.第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀.科技導(dǎo)報.2021.
【3】劉金婷，等.碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用及發(fā)展前景.工業(yè)技術(shù).2019.
【4】曹峻.碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)和市場應(yīng)用綜述.集成電路應(yīng)用.2018.
【5】劉昊.基于PVT法的SiC單晶體生長感應(yīng)加熱電磁、熱耦合仿真建模與分析.山東大學(xué).2021.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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