【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎應用等相關知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當之處，還請大家海涵。當前在各網(wǎng)絡平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學習！

半導體材料經(jīng)過幾十年的發(fā)展，第一代硅（Si）材料半導體已經(jīng)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(fā)也經(jīng)過了許多代的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)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(yōu)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(jié)我要跟大家分享的內(nèi)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(gòu)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(zhì)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(shù)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(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會限制IGBT的高頻驅(qū)動。SiC材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn)"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(wěn)定工作。

三、碳化硅（SiC） MOSFET特征

a. 器件結(jié)構(gòu)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(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)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(shù)載流子的積聚，在Turn-off時會產(chǎn)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(diào)制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低導通電阻。而且MOSFET原理上不產(chǎn)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(xiàn)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(qū)動，從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。與600V～900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。蓪崿F(xiàn)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(yè)機器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。SJ-MOSFET只有900V的產(chǎn)品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現(xiàn)低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/p>

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(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(zhàn)

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(huán)節(jié)，每一環(huán)節(jié)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(yè)化方法，將高純碳化硅（SiC）粉料在2000°C以上高溫區(qū)升華，然后在較低溫的籽晶上重新結(jié)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(nèi)北方部分半導體企業(yè)已建成8英寸碳化硅中試線，產(chǎn)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(zhì)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(yè)采用液相法制備出低缺陷8英寸晶體，屬業(yè)內(nèi)首創(chuàng)。

2、襯底加工技術

生長出的碳化硅晶錠需要經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)級上升。

3、外延生長技術

大多數(shù)功率器件需要在導電型襯底上生長一層高質(zhì)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(chǎn)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(shù)字化轉(zhuǎn)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(tǒng)效率提升5-10%，從而在電池容量不變情況下增加續(xù)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(yè)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(wǎng)與電力系統(tǒng)

碳化硅（SiC）器件可大幅提升電力轉(zhuǎn)換效率，國家電網(wǎng)已建成35千伏/5兆瓦碳化硅柔性變電站，實現(xiàn)"源網(wǎng)荷儲"多元素交直流柔性互聯(lián)。萬伏級SiC MOSFET器件在高壓直流輸電、固態(tài)變壓器等領域具有不可替代的優(yōu)勢，現(xiàn)已有國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心研制的萬伏級SiC MOSFET器件已于2024年實現(xiàn)50億元營業(yè)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(jù)已有的實驗室發(fā)布的氮化鎵（GaN）電源模塊較傳統(tǒng)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(wèi)星通信、雷達等領域也表現(xiàn)優(yōu)異，成為國防電子系統(tǒng)的核心元件。

4、工業(yè)電源與快充

碳化硅（SiC）器件的高頻特性使電源系統(tǒng)可小型化、輕量化，一科技公司開發(fā)的800V轉(zhuǎn)12V高頻電源模塊實現(xiàn)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(nèi)幾大知名企業(yè)已量產(chǎn)基于碳化硅的PD快充適配器。

5、航天與極端環(huán)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(wèi)星電源系統(tǒng)、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(tǒng)制造難題。在核工業(yè)、油氣勘探等極端環(huán)境下，碳化硅傳感器和電子系統(tǒng)也展現(xiàn)出長壽命、高可靠性優(yōu)勢。

六、碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

全球碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)已進入快速成長期，在新能源汽車等需求拉動下，市場規(guī)模年均增長率超過30%。我國通過政策引導和技術創(chuàng)新，已在部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)突破：

1、產(chǎn)業(yè)政策支持

我國"十四五"規(guī)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(chǎn)業(yè)化進程。國家第三代半導體技術創(chuàng)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(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

2、產(chǎn)業(yè)鏈突破

a. 襯底制備

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

b. 器件設計

2020年國家電網(wǎng)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(yè)化應用。悉智科技的車規(guī)級主驅(qū)碳化硅（SiC）模塊已在上汽智己、奇瑞捷途等品牌車型中大規(guī)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(chǎn)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(fā)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(shù)百個位錯降至個位數(shù)，提升器件良率和可靠性；

c. 創(chuàng)新長晶技術(如連續(xù)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(fā)展，提升功率密度和散熱效率。

七、總結(jié)一下

隨著"雙碳"戰(zhàn)略推進，碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)將迎來更廣闊空間。專家預測，新能源汽車之后，電網(wǎng)應用將成為碳化硅（SiC）的第二波浪潮，需求規(guī)?？氨溶囈?guī)市場。到2030年，全球碳化硅（SiC）功率器件市場規(guī)模有望突破100億美元，中國將成為最重要的生產(chǎn)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(fā)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(chǎn)業(yè)難題仍待解決，如我國材料的制造工藝和質(zhì)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(chǎn)業(yè)鏈尚未形成等，這些問題需逐步解決，方可讓國產(chǎn)半導體材料屹立于世界前列。

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審核編輯 黃宇