碳化硅(SiC)的前世今生!

2021-03-12 15:07:16 229



SiC作为半导体材料具有优异的性能,尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作,因此在电源、汽车、铁路、工业设备和家用消费电子设备中倍受欢迎。虽然SiC最后通过人工合成可以制造,但因加工极其困难,所以SiC功率元器件量产化曾一度令研究者们头疼。


※ 啥是碳化硅(SiC)?


碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料。


在半导体业内从材料端分为:

第一代元素半导体材料:如硅(Si)和锗(Ge);

第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;

第三代宽禁带材料:如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。


其中碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。


历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后,特别是进入21世纪以后,人类终于理清了碳化硅的优点和特性,并利用碳化硅特性,做出各种新器件,碳化硅行业得到较快发展。






相比传统的硅材料,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。种种特性意味着碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。


目前已知的碳化硅有约200种晶体结构形态,分立方密排的闪锌矿α晶型结构(2H、4H、6H、15R)和六角密排的纤锌矿β晶型结构(3C-SiC)等。


其中β晶型结构(3C-SiC)可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料的衬底,例如用来生长氮化镓外延层、制造碳化硅基氮化镓微波射频器件等。α晶型4H可以用来制造大功率器件;6H最稳定,可以用来制作光电器件。




※ 碳化硅的性能优势


如果只算碳化硅芯片,在功率半导体方面碳化硅的对比传统硅基功率芯片,有着无可比拟的优势:碳化硅能承受更大的电流和电压、更高的开关速度、更小的能量损失、更耐高温。因此用碳化硅的做成的功率模组可以相应的减少了电容、电感、线圈、散热组件的部件,使得整个功率器件模组更加轻巧、节能、输出功率更强,同时还增强了可靠性,优点十分明显,具体总结如下:


1、更低的阻抗,带来更小尺寸的产品设计和更高的效率;

2、适用于更高频率和更快的开关速度;

3、极佳的高温特性,能在更高温度下工作。


※ 为什么碳化硅这么贵?


所有人都知道碳化硅未来巨大的商业前景,但是所有投身这个行业的就会遇到第一条最现实的问题,材料怎么办?


目前传统硅基产业极其成熟的商业环境,至少有一大半原因是硅材料较为容易得到。硅材料成熟且高效的制备技术使得硅材料目前十分低廉,目前6英寸硅抛光片仅150元,8英寸300元,12英寸850元左右。


只有原材料足够便宜,产业规模才可能做大!


目前用直拉法,72小时能生长出2-3米左右的硅单晶棒,一根单晶棒一次能切下上千片硅片。


你知道72小时能长多少厚碳化硅单晶体吗?只有几厘米都不到!!!


目前最快的碳化硅单晶生长的方法,生长速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右,因此72小时也仅有7.2mm~14.4mm厚度的晶体。


所以大家可以想象,生产出来的碳化硅单晶片能贵成啥样了。目前4英寸碳化硅衬底售价在2000-3000元左右,6英寸衬底更是达到6000-8000元的水平,外延片至少再X2的价格以上,而且还有价无货。


作为全世界碳化硅龙头企业,美国科锐(Cree)几乎垄断了70%以上的产能,因此国内外下游厂家,纷纷和科锐签订长期合约锁定产能。


※ 碳化硅的市场


碳化硅MOSFET和碳化硅二极管用于太阳能,UPS,工业,汽车等应用:主要集中在光伏储能中的逆变器,数据中心服务器的UPS电源,智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但是随着近些年电动和混合动力汽车(xEV)的发展,SiC也在这个新领域迅速崛起,辐射的产业包括能源(PV,EV充电,智能电网等)、汽车(OBC,逆变器)、基础设施(服务器)等。


综上,在不远的将来,我们能预想到碳化硅会对电力电子行业产生革命性影响!


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