碳化硅，又稱SiC，是一種由純硅和純碳組成的半導(dǎo)體基材。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。雖然碳化硅的品種和純度很多，但半導(dǎo)體級質(zhì)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(dá)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(zhì)，但純碳化硅晶體是無色的，當(dāng)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(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和半導(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。

這兩種碳化硅晶圓生產(chǎn)方法都需要大量的能源、設(shè)備和知識才能成功。

碳化硅是做什么用的？碳化硅的優(yōu)點

從歷史上看，制造商在高溫環(huán)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(shè)備。在電子和半導(dǎo)體應(yīng)用中，SiC的優(yōu)勢主要優(yōu)點是：

120-270 W/mK的高導(dǎo)熱系數(shù)

熱膨脹系數(shù)低：4.0x10^-6/°C

最大電流密度高

這三個特性結(jié)合在一起，使SiC具有出色的導(dǎo)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(dǎo)熱性的高功率應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。

近年來，碳化硅已成為半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)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(yīng)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(guān)損耗，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。通過適當(dāng)?shù)膶嵤琒iC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的應(yīng)用中非常有用。

碳化硅應(yīng)用

許多制造商正在電動汽車、太陽能系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中使用碳化硅。這些以效率為導(dǎo)向的系統(tǒng)都會導(dǎo)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(dǎo)致的碳排放。盡管電動汽車和太陽能等尖端技術(shù)正在率先使用碳化硅，但我們預(yù)計很快就會看到更多傳統(tǒng)行業(yè)效仿。

由于行業(yè)對高質(zhì)量、可靠性和效率的需求，碳化硅在汽車領(lǐng)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(tǒng)效率來增加電動汽車的行駛距離，特別是在逆變器系統(tǒng)中，這增加了車輛的整體節(jié)能效果，同時減小了電池管理系統(tǒng)的尺寸和由此產(chǎn)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(yōu)化了電動汽車快速充電過程，該過程通常在kV范圍內(nèi)運行，可以將整體系統(tǒng)損耗降低，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)，碳化硅逆變器優(yōu)化在提高效率和節(jié)約成本方面也發(fā)揮著重要作用。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)頻率的增加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(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運行十多年所需的穩(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)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(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，同時提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

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審核編輯：湯梓紅