终于有人把碳化硅（SiC）是什么，有哪些用途和优势说明白了

时间： 2024-08-15 来源：瑞之辰

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碳化硅，也称为 SiC，是一种半导体基础材料，由纯硅和纯碳组成。可以在 SiC 中掺入氮或磷来形成 n 型半导体，或者掺入铍、硼、铝或镓来形成 p 型半导体。尽管存在许多种类和纯度的碳化硅，但半导体级质量的碳化硅仅在最近几十年才出现。

碳化硅（SiC）是怎么制成的？

最简单的碳化硅制造方法是在高达 2500 摄氏度的高温下熔化硅砂和碳（例如煤）。颜色更深、更常见的碳化硅通常包含铁和碳杂质，但纯 SiC 晶体是无色的，是碳化硅在 2700 摄氏度升华时形成的。加热后，这些晶体在较低的温度下沉积在石墨上，这一过程称为 Lely 法。

· Lely 法：在此过程中，通常通过感应将花岗岩坩埚加热到非常高的温度，以升华碳化硅粉末。温度较低的石墨棒悬浮在气态混合物中，这本身就能使纯碳化硅沉积并形成晶体。

· 化学气相沉积：或者，制造商使用化学气相沉积来生长立方形 SiC，这种方法常用于碳基合成工艺，也用于半导体行业。在这种方法中，特定的化学混合气体进入真空环境，并在沉积到基片上之前结合。

碳化硅晶片生产的这两种方法都需要大量的能源、设备和知识才能成功。

碳化硅（SiC）用途有哪些？

过去，制造商在高温环境下将碳化硅用于轴承、加热机械部件、汽车制动器甚至磨刀工具等设备。在电子和半导体应用中，SiC 的优势主要包括：

· 120-270 W/mK 的高热传导

· 4.0x10^-6/°C 的低热膨胀系数

· 最大电流密度高

这三种特性结合起来，赋予 SiC 出色的导电性，尤其是与 SiC 更受欢迎的同类产品“硅”相比。SiC 的材料特性使其在需要高电流、高温和高热传导的高功率应用中具有极大的优势。

近年来，SiC 已成为半导体行业的重要角色，为 MOSFET、肖特基二极管以及用于高功率、高效率应用的功率模块供电。SiC 虽然比硅 MOSFET 更昂贵（硅 MOSFET 通常受限于 900V 的击穿电压），但 SiC 可实现接近 10kV 的电压阈值。

SiC 还具有极低的开关损耗，能够支持高工作频率，从而实现目前无与伦比的效率，尤其是在工作电压超过 600 伏的应用中。只要实施得当，SiC 器件可以将转换器和逆变器系统损耗降低近 50%，尺寸缩小 300%，整体系统成本降低 20%。整个系统尺寸的减小使 SiC 在重量和空间敏感的应用中非常有用。

碳化硅（SiC）应用在哪里领域？

许多制造商正勇敢地将 SiC 应用于电动汽车、电动汽车充电站、太阳能系统和暖通空调等领域。这些以效率为导向的系统都会导致高电压和高温。我们看到全球正在大力推动采用 SiC 而不是其他材料，以减少高电压下电源效率低下导致的碳排放问题。尽管电动汽车和太阳能等尖端技术正在率先利用 SiC，但我们预计很快就会看到更多传统行业效仿。

由于汽车行业对高质量、高可靠性和高效率的需求，SiC 在汽车行业变得越来越受欢迎。SiC 能够很好地满足高电压需求。碳化硅有可能通过提高整体系统效率来增加电动汽车的行驶里程，特别是在逆变器系统中，即增加汽车的整体节能效果，同时减少电池管理系统的尺寸和重量。

高盛投资公司甚至预测，在电动汽车中使用碳化硅可以将电动汽车的制造成本和拥有成本降低近 2,000 美元。SiC 还可优化电动汽车通常在 kV 范围内运行的快速充电过程，可将整体系统损耗降低近 30%，功率密度提高 30%，并将元件数量减少 30%。鉴于这种效率，快速充电站能够变得更小、更快、更具成本效益。

在太阳能行业，启用 SiC 的逆变器优化在效率和成本节约方面也发挥着重要作用。在太阳能逆变器中使用碳化硅，可以将系统的开关频率提高到标准硅的两到三倍。开关频率的这一提升，可减少电路的磁性元件，从而节省大量空间和成本。因此，基于碳化硅的逆变器设计的尺寸和重量几乎是基于硅的逆变器的一半。促使太阳能制造商和工程师使用 SiC 而不是氮化镓等其他材料的另一个因素是，碳化硅坚固的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太阳能系统能够获得持续运行十多年所需的稳定寿命。

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料具备哪些优势？

（1）耐高压：

SiC材料相比于Si材料具有10多倍的击穿场强，因此可以通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，相同的耐压值下，SiC功率模块导通电阻/尺寸仅为Si的1/10，功率损耗大幅减少。

（2）耐高频：

SiC材料不存在电流拖尾现象，能够提高元件的开关速度，是硅（Si）开关速度的3-10倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度。

（3）耐高温：

SiC材料具有禁带宽度大(约Si的3倍)、热导率高(约Si的3.3倍），熔点高(2830℃，约Si-1410℃的两倍)的特点，因此SiC器件在减少电流泄露的同时大幅提高工作温度。

SiC不同晶体结构性能各异，4H-SiC综合性能最佳。SiC由于C原子和Si原子结合方式多样，有200多种同质异型晶体结构，其中6H-SiC结构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC饱和电子漂移速度高，适合高频大功率器件；4H-SiC电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高，适合电力电子器件。4H-SiC是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的理想材料。

深圳市瑞之辰科技有限公司是一家芯片设计、方案研发的高科技公司，公司成立于2007年，主要产品有SiC功率器件、电源管理芯片、传感器芯片等系列。公司拥有自己的知识产权，拥有几十项发明专利和实用新型专利。近几年公司研发了SiC 、IGBT等功率器件，封装形式有TO247-3、TO247-4PHC、IPM24A-D、WPM11C等外形，产品主要应用在储能、白电、充电桩、逆变器、光伏、汽车、高铁、电网等领域。

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