碳化硅（SiC）材料的未来应用前景怎么样？碳化硅sic半导体？

　　碳化硅陶瓷在高技术产业应用广泛 国内高端生产力亟需提升

　　碳化硅陶瓷是以碳化硅、有机粘合剂为原材料，在添加剂的作用下烧结成型的陶瓷材料。碳化硅陶瓷具有优异的刚性、抗弯强度、热传导性、高温强度、耐磨损性、耐腐蚀性、高温抗氧化性以及摩擦系数低、热膨胀系数低、密度小等特性，是陶瓷材料中高温力学性最好、非氧化物陶瓷中抗氧化性最好的陶瓷材料。 随着科技不断进步，高技术产业不断发展壮大，对材料的力学性能、耐高温性、抗腐蚀性等要求日益严苛，在此背景下，碳化硅陶瓷应用领域不断拓宽，需求不断扩大。碳化硅陶瓷可以制造高频电子器件、电磁屏蔽材料、导热散热材料、高温轴承、高温耐蚀部件、磨料磨具、耐火材料等，被广泛应用在微电子、仪器仪表、机械、汽车、冶金、化工、石油、激光、核工业、航空航天等领域。

　　根据新思界产业研究中心发布的《2022年碳化硅陶瓷项目商业计划书》显示，碳化硅陶瓷的制备工艺主要包括化合法、热分解法、气相法、阿奇逊法等，其烧结难度较高，生产工艺复杂。在全球范围内，碳化硅陶瓷主要供应商有法国圣戈班、德国雄克集团等。这些企业技术工艺水平高，产品质量、性能、可靠性高。经过不断发展，我国碳化硅陶瓷行业规模不断扩大，生产企业不断增多，代表性企业主要有沈阳星光、洛阳鹏飞、山东金鸿、潍坊致达等。

　　我国碳化硅陶瓷生产企业数量众多，行业整体产能不断扩大，全国较多地区均有分布。碳化硅陶瓷产品中，低端产品技术门槛较低，因此国内聚集了大批企业，这些企业在规模、技术、工艺、产品质量等方面参差不齐，依靠价格战争夺市场；少数优秀企业经过技术、经验的不断积累，研发创新能力不断增强，工艺水平不断提高，竞争力不断提升。我国碳化硅陶瓷行业发展呈现两极分化格局，随着下游应用领域逐渐向高技术产业倾斜，未来实力不足企业被淘汰速度将加快。

　　碳化硅陶瓷也存在缺点，例如脆性较大、易断裂，为提高其韧性，采用高强度、高弹性纤维与之复合制成的碳化硅陶瓷基复合材料应运而生。碳化硅陶瓷基复合材料综合性能优异，可以应用在高速切削工具、高档汽车、飞机、火箭、导弹等领域。碳化硅陶瓷基复合材料技术壁垒高，全球仅有日本、美国、西欧等少数国家具备先进生产工艺，我国与之相比差距较大，市场需求依靠进口，亟需实现进口替代。

　　新思界行业分析人士表示，碳化硅陶瓷是新材料的一种，其下游应用范围广泛，特别是在高技术产业领域应用需求持续增长，未来市场前景广阔。经过不断发展，我国碳化硅陶瓷行业生产能力不断提升、技术水平不断提高，但在高端产品领域，国内需求还需依靠进口，尤其是在碳化硅陶瓷基复合材料领域，我国与发达国家相比存在较大差距。未来，我国碳化硅陶瓷行业技术水平还需不断进步。

　　关于 SiC

　　在陨石和地壳中含有少量的SiC（silicon carbide，碳化硅），但迄今尚未找到可供开采的矿源。工业用SiC是1891年研制成功，由于其化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，最早的用途是研磨材料。

　　1. 因其硬度高、切削力强的特点，作为磨料可用来做磨具，如砂轮、磨头等。

　　如：玉器珠宝的抛光、玻璃石材、合金、电子元件等的研磨及抛光、太阳能电池基板的切割、建筑筑路、服装行业（牛仔布喷砂）、美容工具和砂轮的制造等。

　　2. 因其耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击特点，作为高温间接加热材料和冶金脱氧剂等。

　　如：低品级碳化硅（含SiC约 85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。

　　3. 用于制造半导体的高纯度单晶材料，材料的生长和器件的制备是高新技术产业。

　　与硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的传统半导体材料相比，SiC半导体材料是第三代半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高健合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，因而是半导体材料领域最后前景的材料之一。

　　除此之外：

　　因其良好的导热性，SiC材料制成的器件还应用于航空、航天探测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机等需要高温（350~500℃）的工作环境中；

　　因其宽禁带和高化学稳定性，也应用在抗辐射领域；

　　因其高电子饱和漂移速度，高频和微波SiC器件具有不可替代的优势；

　　因其具有大的击穿电场，高频率SiC器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景；

　　因其具有良好的热导率，也能成为制造大尺寸、超高亮度白光和蓝光GaN LED（light emitting diode，发光二极管）和 LD（laser diode，激光二极管）的理想衬底材料，成为光电行业的关键基础材料之一。

　　目前，我国是前两种用途SiC材料的生产大国，在国际市场上对其价格有控制作用，产地主要分布在甘肃、宁夏、青海、新疆、河南、四川等地区。国内的一些研究机构、企业也涉足SiC晶体生产的研究，或自行研制、或引进生长设备。但是我国对SiC晶片的应用还不足，SiC产业的下游企业还没有形成规模，整个产业链还不够完备，还需要加大投入和研究力度。

　　以上观点仅供参考，欢迎大家关注交流！

　　仅在过去的三年中，作为一种半导体技术，碳化硅(SiC)已经发展到可以与硅竞争的水平。如今，碳化硅已进入第三代产品，其性能随着越来越多的应用而增加。

　　随着电动汽车，可再生能源和5G等行业的创新步伐迅速提高，以满足消费者和行业的需求，电力工程师越来越多地寻求新的解决方案，以在效率，成本节省和功能方面取得优势。

　　费迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）于1893年在亚利桑那州的陨石残余物中发现了这种材料。如今，宝石可以由碳化硅形成，碳化硅与钻石难以区分，甚至更耐高温。而碳化硅（SiC）晶片是一种非常成功的新型半导体产品-也许晶圆厂技术人员会关注SiC“晶体棒”，并想知道使用这种材料的器件的下一步是什么？

　　第三代SiC技术

　　让我们回顾一下SiC技术的现状以及与传统硅解决方案的竞争优势。图1显示了与硅相比的基本材料特性-靠近边缘的值更好。

　　图1. Si和SiC材料特性的比较。

　　这里总结一下SiC的优点：带隙更宽、临界击穿电压更高、电子速度更高、开关速度更快。对于给定的额定电压，管芯尺寸可以小得多，从而具有低导通电阻，再加上更好的导热性，从而可以降低损耗并降低运行温度。较小的裸片尺寸还减少了器件电容，从而降低了开关损耗，而SiC固有的高温性能反而降低了热应力。

　　当作为碳化硅场效应晶体管(SiC FET)实现时，使用UnitedSiC JFET与Si-MOSFET共同封装的的共源共栅，实现了一个常开型器件，具有快速、低损耗的体二极管、高雪崩能量额定值和短路条件下的自限流。SiC FET具有易于栅极驱动的特性，可与老式Si-MOSFET甚至IGBT兼容，因此，通过提供兼容的封装，可以轻松地从较早的器件类型进行升级。

　　对于高开关频率应用，现在还提供扁平的DFN8x8封装，可最大程度地减小引线电感，因此非常适合诸如LLC和相移全桥转换器之类的硬开关和软开关应用。

　　使用该技术，UnitedSiC UF3C系列器件突破了障碍，这是首款采用凯尔文4引脚TO-247封装，在1200V类器件中RDS（ON）低于10毫欧的SiC FET。门连接。

　　UnitedSiC中使用的SiC晶圆已发展到六英寸的尺寸，其规模经济性使其可与硅的价格水平保持一致，并用于大众市场应用以及尖端的创新产品。

　　进一步改善SiC FET的驱动能力

　　SiC场效应晶体管已接近理想开关，但市场仍有更高的要求；电动汽车逆变器需要最佳的效率，以提高驱动范围；数据中心/5G应用中的高功率DC-DC以及AC-DC转换器必须尽可能少的耗散功率，以最大限度地减少能量损失、占地面积和成本；工业界希望更小、更高效的电机驱动器能更好地利用工厂空间等待。SiC的其他新应用也已经开发出来，可以利用SiC的一些优势-例如，固态断路器现在可以在大电流水平下实现非常低的损耗，甚至线性电源电路（如电子负载），都可以通过SiC器件的安全工作区(SOA)扩展来获得更好的效果。

　　随着系统工程师认识到在节省能源和硬件成本的同时可以减少尺寸和提高冷却效果，他们希望拥有更多相同的器件，以及具有更广泛应用的设备，例如更高的电压和电流额定值以及更多的封装选项。

　　碳化硅改良参数

　　显然，SiC比其他开关类型的关键FOM有了很大的改进，但是要想获得更好的性能，还有多大的空间？还需要考虑其他参数，这些参数可能会与FOM的改进相抵消。如图2，箭头表示了更好性能的运动方向。BV是临界击穿电压，COSS是输出电容，Qrr是反向恢复电荷，ESW是开关能量损失，二极管浪涌是体二极管效应峰值电流额定值，SCWT是短路耐受额定值，UIS是非箝位电感开关额定值，RthJ-C是外壳热阻。

　　图2.SiC FET的特性及其演变方向（ 蓝色表示现在，橙色表示未来）

　　有些特性可以相互促进，例如较小的晶粒尺寸可以降低COSS，从而降低ESW；而其他特性则是一种权衡，例如，减小晶粒体积可能导致UIS能量额定值降低。不过，峰值雪崩电流不会受到影响，这是典型的低能量杂散电感相关的过冲或雷电测试结果。

　　然而，在封装设计上的改进有很大的空间，可以看到RSD(ON)。与显著缩小的芯片减半。那么COSS也会以同样的比例下降，ESW相应的下降。随着RDS(ON)的相应改进，更薄的裸片也是可能的，但UnitedSiC相信，这不会以牺牲额定电压为代价，因为随着750V的新标准电压等级的提高，额定电压将向1700V上升。

　　挑战还在前面，例如需要起始材料趋向于零缺陷和完美的平面度，但是在每个晶圆片上的裸片数量和“交叉”方面，成品率一直在不断提高。请记住，SiC仍然是一种相对年轻的技术，处于其发展曲线的起点，就像之前的MOSFET一样，它在未来的成本和性能方面具有显著的改进前景。

　　SiC封装的演变

　　随着SiC FET器件的改进和扩展到不同的应用领域，可以预料封装类型也将扩大。

　　目前，TO-247封装很受欢迎，因为它们可以作为某些MOSFET和IGBT的直接替代品，并且许多类型是四引线的，包括用于栅极驱动的开尔文连接。这有助于克服源极引线电感的影响，否则会导致漏极-源极di/dt较高而导通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近从UnitedSiC推出的表面贴装薄型DFN8x8封装均经过优化，以最小的封装电感实现了高频工作。

　　将来，将提供其他SMD封装，其中大多数采用银烧结模压连接，以获得更好的热性能。模块中的多个SiC裸片也将变得更加广泛，单个裸片的额定电压可能高达1200V，而使用堆叠式 "超级级联 "安排的6000V或更高的额定电压，以实现极高的功率。这些产品将被用于固态变压器、MV-XFC快速充电器、风能发电系统、牵引和HVDC。

　　前景光明