碳化硅，也稱為SiC，是一種由純硅和純碳組成的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。您可以將SiC與氮或磷摻雜以形成n型半導(dǎo)體，或?qū)⑵渑c鈹，硼，鋁或鎵摻雜以形成p型半導(dǎo)體。雖然碳化硅存在許多品種和純度，但半導(dǎo)體級(jí)質(zhì)量的碳化硅僅在過去幾十年中浮出水面以供使用。

碳化硅是如何制造的？

最簡(jiǎn)單的碳化硅制造方法包括在高達(dá)2500攝氏度的高溫下熔化硅砂和碳，例如煤。較暗，更常見的碳化硅版本通常包括鐵和碳雜質(zhì)，但純SiC晶體是無色的，當(dāng)碳化硅在2700攝氏度升華時(shí)形成。一旦加熱，這些晶體在較低的溫度下沉積到石墨上，這個(gè)過程稱為Lely方法。

Lely法：在此過程中，花崗巖坩堝通常通過感應(yīng)加熱到非常高的溫度，以升華碳化硅粉末。溫度較低的石墨棒懸浮在氣態(tài)混合物中，這固有地允許純碳化硅沉積并形成晶體。

化學(xué)氣相沉積：或者，制造商使用化學(xué)氣相沉積來生長立方碳化硅，化學(xué)氣相沉積通常用于碳基合成工藝并用于半導(dǎo)體工業(yè)。在這種方法中，一種特殊的氣體化學(xué)混合物進(jìn)入真空環(huán)境并在沉積到基材上之前結(jié)合。

碳化硅晶圓生產(chǎn)的兩種方法都需要大量的能源、設(shè)備和知識(shí)才能成功。

碳化硅有什么用？碳化硅的優(yōu)勢(shì)

從歷史上看，制造商在高溫環(huán)境中使用碳化硅來制造軸承、加熱機(jī)械部件、汽車制動(dòng)器甚至磨刀工具等設(shè)備。在電子和半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC的優(yōu)勢(shì)主要在于：

120-270 W/mK的高導(dǎo)熱系數(shù)

熱膨脹系數(shù)低至4.0x10^-6/°C

高最大電流密度

這三個(gè)特性相結(jié)合，使SiC具有出色的導(dǎo)電性，特別是與SiC更受歡迎的表親硅相比。SiC的材料特性使其非常適合需要高電流、高溫和高導(dǎo)熱性的高功率應(yīng)用。

近年來，SiC已成為半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵參與者，為用于高功率、高效率應(yīng)用的MOSFET、肖特基二極管和功率模塊供電。雖然比硅MOSFET更昂貴（通常僅限于900V的擊穿電壓），但SiC允許接近10kV的電壓閾值。

SiC還具有非常低的開關(guān)損耗，并且可以支持高工作頻率，這使其能夠?qū)崿F(xiàn)目前無與倫比的效率，尤其是在工作電壓超過600伏的應(yīng)用中。通過正確實(shí)施，SiC器件可以將轉(zhuǎn)換器和逆變器系統(tǒng)損耗降低近50%，尺寸降低300%，整體系統(tǒng)成本降低20%。整體系統(tǒng)尺寸的減小使SiC能夠在重量和空間敏感型應(yīng)用中非常有用。

碳化硅應(yīng)用

許多制造商正在推動(dòng)在電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車充電站、太陽能系統(tǒng)和暖通空調(diào)等應(yīng)用中使用SiC。這些以效率為導(dǎo)向的系統(tǒng)都會(huì)導(dǎo)致高電壓和高溫。我們看到全球大力推動(dòng)在其他材料上實(shí)施SiC，以減少因較高電壓下的功率效率低下而導(dǎo)致的碳排放。盡管電動(dòng)汽車和太陽能等尖端技術(shù)正在引領(lǐng)SiC的使用，但我們預(yù)計(jì)很快就會(huì)看到更多的傳統(tǒng)行業(yè)效仿。

由于行業(yè)對(duì)高質(zhì)量、可靠性和高效率的需求，SiC在汽車行業(yè)變得很受歡迎。SiC可以滿足高壓要求。碳化硅有可能通過提高整體系統(tǒng)效率來增加電動(dòng)汽車的行駛距離，特別是在逆變器系統(tǒng)中，這增加了車輛的整體節(jié)能，同時(shí)減小了電池管理系統(tǒng)的尺寸和重量。

高盛甚至預(yù)測(cè)，在電動(dòng)汽車中使用碳化硅可以使電動(dòng)汽車制造成本和每輛車擁有成本降低近2，000美元。SiC還優(yōu)化了通常在kV范圍內(nèi)運(yùn)行的電動(dòng)汽車快速充電工藝，可將整體系統(tǒng)損耗降低近30%，將功率密度提高30%，并將組件數(shù)量減少30%。這種效率將使快速充電站更小、更快、更具成本效益。

在太陽能行業(yè)，支持SiC的逆變器優(yōu)化在效率和成本節(jié)約方面也起著重要作用。在太陽能逆變器中使用碳化硅可將系統(tǒng)的開關(guān)頻率提高到標(biāo)準(zhǔn)硅的兩到三倍。這種開關(guān)頻率的提高可以減少電路的磁性元件，從而節(jié)省大量空間和成本。因此，基于碳化硅的逆變器設(shè)計(jì)的尺寸和重量幾乎是硅基逆變器的一半。鼓勵(lì)太陽能制造商和工程師使用SiC而不是其他材料（如氮化鎵）的另一個(gè)因素是其強(qiáng)大的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太陽能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行十多年所需的穩(wěn)定壽命。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

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審核編輯：湯梓紅

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