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    SiC 的前世今生!

    發布時間 :2021-03-23 16:22:52閱讀 :

    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:

    第一代元素半導體材料: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”。

     

    歷史上人類第一次發現碳化硅是在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,這就是碳化硅首次合成和發現。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。

     

    SiC 的前世今生!(圖1)

     

    SiC 的前世今生!(圖2)

     

    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、極佳的高溫特性,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第一條最現實的問題,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。

     

    只有原材料足夠便宜,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。

     

    作為全世界碳化硅龍頭企業,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。

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