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半導體材料經過幾十年的發展，第一代硅（Si）材料半導體已經接近完美晶體，對于硅（Si）材料的研究也非常透徹。基于硅（Si）材料上器件的設計和開發也經過了許多代的結構和工藝優化和更新，正在逐漸接近硅（Si）材料的極限，基于硅（Si）材料的器件性能提高的潛力愈來愈小。以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。因此，碳化硅（SiC）器件的基礎知識就是本章節我要跟大家分享的內容：

一、碳化硅（SiC）材料的物性和特征

碳化硅（SiC）是一種由Si（硅）和C（碳）構成的化合物半導體材料。SiC臨界擊穿場強是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，熱導率是Si的3倍，所以被認為是一種超越Si極限的功率器件材料。SiC中存在各種多種晶型，它們的物性值也各不相同。其中，4H-SiC最合適用于功率器件制作。另外，SiC是唯一能夠熱氧化形成SiO2的化合物半導體，所以適合制備MOS型功率器件。

二、碳化硅（SiC）功率器件的特征

SiC的臨界擊穿場強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質濃度和更薄的厚度的漂移層作出高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的導通電阻主要來源于漂移層電阻，因此采用SiC可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層電阻可以降低到Si的1/300。而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題，主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵雙極型晶體管)等少數載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關損耗大的問題，其結果是由此產生的發熱會限制IGBT的高頻驅動。SiC材料卻能夠以高頻器件結構的多數載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實現高耐壓，從而同時實現"高耐壓"、"低導通電阻"、"高頻"這三個特性。另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩定工作。

三、碳化硅（SiC） MOSFET特征

a. 器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約2～2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。IGBT通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數載流子的積聚，在Turn-off時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。SiC器件漂移層電阻比Si器件低，不需要進行電導調制就能夠以MOSFET實現高耐壓和低導通電阻。而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現散熱部件的小型化。另外，SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現無源器件的小型化。與600V～900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優勢在于芯片面積小（可實現小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。主要應用于工業機器電源、高效率功率調節器的逆變器或轉換器中。

b. 標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現高耐壓。因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到單位面積導通電阻更低的器件。例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。SJ-MOSFET只有900V的產品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

c. Vd-Id特性

SiC-MOSFET與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現低導通損耗。而Si-MOSFET在150℃時導通電阻上升為室溫條件下的2倍以上，與Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

d. 驅動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現在的技術水平，SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻(Vgs=20V以上則逐漸飽和)。

四、碳化硅（SiC）的制備工藝與技術挑戰

碳化硅（SiC）材料的制備是一個復雜且技術密集的過程，涉及晶體生長、襯底加工、外延生長等多個關鍵環節，每一環節都存在高技術壁壘：

1、晶體生長技術

a. 物理氣相傳輸法(PVT)

當前主流工業化方法，將高純碳化硅（SiC）粉料在2000°C以上高溫區升華，然后在較低溫的籽晶上重新結晶生長。這種方法設備相對簡單但生長速度慢(0.1-0.5mm/h)，且晶體缺陷控制難度大。當前國內北方部分半導體企業已建成8英寸碳化硅中試線，產出直徑超204毫米的單晶。

b. 高溫化學氣相沉積法(HTCVD)

通過硅烷和碳氫化合物在1800-2200°C下熱分解反應生長晶體，能精確控制氣相成分從而改善晶體質量，但設備復雜、成本高。這種方法適合生長高純半絕緣碳化硅（SiC）襯底。

c. 液相法(LPE)

在較低溫度(1500-1800°C)下從硅基熔體中生長碳化硅（SiC），缺陷密度低但生長速率極慢。2023年就已有企業采用液相法制備出低缺陷8英寸晶體，屬業內首創。

2、襯底加工技術

生長出的碳化硅晶錠需要經過切割、研磨、拋光等工序加工成襯底片。由于碳化硅（SiC）硬度極高(莫氏硬度9.5，僅次于金剛石)，加工過程中易產生裂紋和表面損傷，需要特殊的金剛石切割線和精密拋光工藝。從4英寸到6英寸再到8英寸，每增大襯底尺寸都能顯著提升芯片產出量(6英寸晶片一次可做成3000個芯片，是4英寸的三倍)，但大尺寸晶體的均勻性和缺陷控制難度呈指數級上升。

3、外延生長技術

大多數功率器件需要在導電型襯底上生長一層高質量的外延層，控制摻雜濃度和厚度是關鍵。碳化硅（SiC）外延通常采用化學氣相沉積(CVD)在1500-1600°C下進行，需精確控制硅碳比、氣流分布和溫度均勻性以避免三角形缺陷和基平面位錯等。2025年國產碳化硅（SiC）外延片在中國市場的收入占有率已突破30%。

五、碳化硅（SiC）的應用領域

憑借卓越的物理性能，碳化硅（SiC）已廣泛應用于新能源汽車、電力電子、通信、航天國防等多個高技術領域，成為支撐能源革命和數字化轉型的關鍵材料：

1、新能源汽車

碳化硅（SiC）器件(如MOSFET、SBD)可使電動汽車電機控制器的開關損耗降低70%，系統效率提升5-10%，從而在電池容量不變情況下增加續航里程10%左右。每輛電動汽車約消耗0.5-1片6英寸碳化硅（SiC）襯底，隨著中國電動汽車保有量每年增長70%，僅此領域就將形成千億級市場。當前也已有企業推出通流能力達1500A的氮化鎵（GaN）分立器件，應用于新能源汽車主逆變器。

2、智能電網與電力系統

碳化硅（SiC）器件可大幅提升電力轉換效率，國家電網已建成35千伏/5兆瓦碳化硅柔性變電站，實現"源網荷儲"多元素交直流柔性互聯。萬伏級SiC MOSFET器件在高壓直流輸電、固態變壓器等領域具有不可替代的優勢，現已有國家第三代半導體技術創新中心研制的萬伏級SiC MOSFET器件已于2024年實現50億元營業收入。

3、5G通信與射頻器件

半絕緣碳化硅（SiC）襯底上制備的氮化鎵（GaN）HEMT器件能滿足5G基站對高頻、高效率的需求，根據已有的實驗室發布的氮化鎵（GaN）電源模塊較傳統硅基方案降低30%用電損耗并縮小30%體積。碳化硅（SiC）基射頻器件在衛星通信、雷達等領域也表現優異，成為國防電子系統的核心元件。

4、工業電源與快充

碳化硅（SiC）器件的高頻特性使電源系統可小型化、輕量化，一科技公司開發的800V轉12V高頻電源模塊實現98%以上整鏈效率與超5000W/inch3功率密度。在快充領域，碳化硅（SiC）器件使充電器體積縮小一半的同時效率提升至95%以上，國內幾大知名企業已量產基于碳化硅的PD快充適配器。

5、航天與極端環境應用

碳化硅（SiC）功率器件已成功通過太空驗證，其抗輻射、耐高溫特性使其成為衛星電源系統、深空探測器的理想選擇。我國已成功研制米量級碳化硅反射鏡，解決了大口徑光學系統制造難題。在核工業、油氣勘探等極端環境下，碳化硅傳感器和電子系統也展現出長壽命、高可靠性優勢。

六、碳化硅（SiC）產業發展現狀與趨勢

全球碳化硅（SiC）產業已進入快速成長期，在新能源汽車等需求拉動下，市場規模年均增長率超過30%。我國通過政策引導和技術創新，已在部分環節實現突破：

1、產業政策支持

我國"十四五"規劃明確提出加速推動以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體新材料新技術產業化進程。國家第三代半導體技術創新中心等平臺相繼建立，多地政府也出臺專項政策，湖南、山西、山東等地已形成碳化硅（SiC）產業集聚區。

2、產業鏈突破

a. 襯底制備

當前國內已有企業掌握8英寸襯底制備技術，并研制出業內首款12英寸p型碳化硅（SiC）襯底，為特高壓功率器件國產化奠定基礎。同時國內碳化硅（SiC）半導體材料產能國內第一的企業市場占有率超過50%。

b. 器件設計

2020年國家電網中國電科院成功研制首枚18千伏N溝道碳化硅（SiC）IGBT，2024年萬伏級SiC MOSFET開始商業化應用。悉智科技的車規級主驅碳化硅（SiC）模塊已在上汽智己、奇瑞捷途等品牌車型中大規模應用。

c. 裝備與材料

碳化硅（SiC）長晶設備、切割研磨設備國產化率逐步提升，但部分高端裝備仍依賴進口。高純碳化硅粉體、石墨件等配套材料已能自主供應。

3、技術發展趨勢

未來碳化硅（SiC）技術將圍繞大尺寸、低缺陷、低成本三大方向演進：

a. 襯底尺寸從6英寸主流向8英寸過渡，可降低單位芯片成本30%以上；

b. 缺陷控制從每平方厘米數百個位錯降至個位數，提升器件良率和可靠性；

c. 創新長晶技術(如連續生長)、減薄工藝等，提高材料利用率；

d. 模塊封裝向雙面散熱、三維集成發展，提升功率密度和散熱效率。

七、總結一下

隨著"雙碳"戰略推進，碳化硅（SiC）產業將迎來更廣闊空間。專家預測，新能源汽車之后，電網應用將成為碳化硅（SiC）的第二波浪潮，需求規模堪比車規市場。到2030年，全球碳化硅（SiC）功率器件市場規模有望突破100億美元，中國將成為最重要的生產和應用市場之一。

同時，也因為國家對第三代半導體材料的重視，近年來，我國半導體材料市場發展迅速。其中以碳化硅（SiC）為主的材料備受關注。盡管如此，但產業難題仍待解決，如我國材料的制造工藝和質量并未達到世界前列，材料制造設備依賴于進口嚴重，碳化硅（SiC）器件方面產業鏈尚未形成等，這些問題需逐步解決，方可讓國產半導體材料屹立于世界前列。

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審核編輯 黃宇