碳化硅，又稱SiC，是一種由純硅和純碳組成的半導體基材。您可以將SiC與氮或磷摻雜以形成n型半導體，或將其與鈹、硼、鋁或鎵摻雜以形成p型半導體。雖然碳化硅的品種和純度很多，但半導體級質量的碳化硅只是在過去幾十年中才浮出水面。

碳化硅是如何制造的？

最簡單的碳化硅制造方法涉及在高達2500攝氏度的高溫下熔化硅砂和碳，例如煤。更深、更常見的碳化硅通常包括鐵和碳雜質，但純碳化硅晶體是無色的，當碳化硅在2700攝氏度下升華時形成。一旦加熱，這些晶體就會在較冷的溫度下沉積在石墨上，這個過程被稱為Lely方法。

Lely法：在此過程中，花崗巖坩堝通常通過感應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混合物中，這固有地允許純碳化硅沉積并形成晶體。

化學氣相沉積：或者，制造商使用化學氣相沉積來生長立方碳化硅，化學氣相沉積通常用于碳基合成工藝和半導體工業。在這種方法中，一種特殊的氣體化學混合物進入真空環境并在沉積到基材上之前結合。

這兩種碳化硅晶圓生產方法都需要大量的能源、設備和知識才能成功。

碳化硅是做什么用的？碳化硅的優點

從歷史上看，制造商在高溫環境中將碳化硅用于軸承、加熱機械部件、汽車制動器甚至磨刀工具等設備。在電子和半導體應用中，SiC的優勢主要優點是：

120-270 W/mK的高導熱系數

熱膨脹系數低：4.0x10^-6/°C

最大電流密度高

這三個特性結合在一起，使SiC具有出色的導電性，特別是與硅相比，硅是SiC更受歡迎的表親。SiC的材料特性使其在需要大電流、高溫和高導熱性的高功率應用中具有很大的優勢。

近年來，碳化硅已成為半導體行業的關鍵參與者，為MOSFET、肖特基二極管和功率模塊供電，用于高功率、高效率應用。雖然比硅MOSFET更昂貴，硅MOSFET通常限制在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損耗，可以支持高工作頻率，這使其能夠實現目前無與倫比的效率，尤其是在工作電壓超過600伏的應用中。通過適當的實施，SiC器件可以將轉換器和逆變器系統損耗降低近50%，尺寸降低300%，整體系統成本降低20%。整體系統尺寸的減小使SiC能夠在重量和空間敏感的應用中非常有用。

碳化硅應用

許多制造商正在電動汽車、太陽能系統和數據中心等應用中使用碳化硅。這些以效率為導向的系統都會導致高電壓和高溫。我們看到，全球正在大力推動碳化硅取代其他材料，以減少因較高電壓下的功率效率低下而導致的碳排放。盡管電動汽車和太陽能等尖端技術正在率先使用碳化硅，但我們預計很快就會看到更多傳統行業效仿。

由于行業對高質量、可靠性和效率的需求，碳化硅在汽車領域變得流行起來。碳化硅可以出色地滿足高電壓需求。碳化硅有可能通過提高整體系統效率來增加電動汽車的行駛距離，特別是在逆變器系統中，這增加了車輛的整體節能效果，同時減小了電池管理系統的尺寸和由此產生的重量。

在電動汽車中使用碳化硅可以將電動汽車制造成本和每輛車的擁有成本降低近2美元。碳化硅還優化了電動汽車快速充電過程，該過程通常在kV范圍內運行，可以將整體系統損耗降低，將功率密度提高30%，并將組件數量減少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，碳化硅逆變器優化在提高效率和節約成本方面也發揮著重要作用。在太陽能逆變器中使用碳化硅可將系統的開關頻率提高到標準硅的兩到三倍。這種開關頻率的增加可以減少電路的磁性元件，從而節省大量空間和成本。因此，基于碳化硅的逆變器設計的尺寸和重量幾乎是硅基逆變器的一半。鼓勵太陽能制造商和工程師使用碳化硅而不是氮化鎵等其他材料的另一個因素是其強大的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太陽能系統能夠實現連續運行十多年所需的穩定壽命。

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審核編輯：湯梓紅