碳化硅与第三代半导体的渊源

半导体工艺与设备 2024-01-08 08:30
一、什么是碳化硅(SiC)?

碳化硅属于第三代半导体材料,与普通的硅材料相比,碳化硅的优势非常突出,它不仅克服了普通硅材料的某些缺点,在功耗上也有非常好的表现,因而成为电力电子领域目前最具前景的半导体材料。正因为如此,已经有越来越多的半导体企业开始进入SiC市场。


碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料。

二、碳化硅的发现

人类历史上第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。随后各国科学家经过深入研究之后,终于理清了碳化硅的优点和特性,并且发明了各种碳化硅的长晶技术,产业研究前后长达70多年。

2001年的时候英飞凌就做出了第一只碳化硅二极管,然后Cree,罗姆,ST等公司也相继进入碳化硅领域,做出了碳化硅二极管,三极管,MOSFET管等,有少量科研机构用研发过碳化硅IGBT结构,但是IGBT结构的一时半刻找不到应用场景。

以前大家都知道碳化硅很好,但是问题也很多,第一长晶技术不成熟,晶体内缺陷太多,严重影响良率和稳定性,可靠性;其次是不知道应用场景,因为碳化硅器件虽然性能强,但是太贵,找不到一个很适合的商业落点。

但是这一切都被特斯拉改变,特斯拉是业内第一个提出使用碳化硅替代硅的车企,并且大胆用到特斯拉的毛豆3上,随后其他车厂纷纷效仿,碳化硅迎来大规模上车的阶段,因此业内认为碳化硅发展元年是在2019年,特斯拉这一大胆的举动,拉开了碳化高速发展的序幕。

三、碳化硅与半导体

在半导体业内从材料端分为:

第一代元素半导体材料:如硅(Si)和锗(Ge);

第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;

第三代宽禁带材料:如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)


禁带宽度物理意义是实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就是产生本征激发所需要的最小能量,自由电子获得足够的能量后能跃迁到导带,这个能量最小值就是禁带宽度。

禁带宽度直接决定着器件的耐压和最高工作温度,因此禁带宽度大的材料更适合高温高压场景。

相比之下硅禁带宽度只有1.12eV,碳化硅有三倍于硅的禁带宽度,因此承受同样电压的器件,碳化硅器件的面积要比硅器件小的多,只有1/10,电压越高面积比越明显,或者说同样面积下,碳化硅的耐压比硅强很多。


总结以下几点优点:

1、宽禁带半导体材料的禁带宽度大,击穿电场强度高,大大增加了宽禁带器件能够承受的峰值电压,器件的输出功率可以大大提高;

2、宽禁带材料具有高导热性、高化学稳定性等优点。使功率器件能够在更恶劣的环境下工作,大大提高了系统的稳定性和可靠性;

3、宽禁带材料具有优异的抗辐射能力。在辐射环境下,宽禁带器件的辐射稳定性比硅器件高10~100倍,是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料。

4、由于宽禁带半导体器件的结温较高,它们可以在冷却条件差、热设计保证差的环境中稳定工作。

其中半绝缘型碳化硅上主要是长氮化镓外延层制造用于射频和光电器件,导电型碳化硅衬底上长同质碳化硅外延层用来做功率半导体,两者材料应用有区别。

特别是碳化硅基氮化镓,因此氮化镓衬底实在太贵了,而且碳化硅和氮化镓有非常优异的晶格匹配度超过95%,因此碳化硅上能长出高质量的氮化镓外延层,因此氮化镓外延片把碳化硅当做最好的衬底。

四、碳化硅功率器件的电气性能优势:


1. 耐压高:临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10倍于Si)。

2. 散热容易:由于SiC材料的热导率较高(是Si的三倍),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。理论上,SiC功率器件可在175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。

3. 导通损耗和开关损耗低:SiC材料具有两倍于Si的电子饱和速度,使得SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于Si),导通损耗低;SiC材料具有3倍于Si 的禁带宽度,泄漏电流比Si 器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗;关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于Si)。

4. 可以减小功率模块的体积:由于器件电流密度高(如Infineon 产品可达700A/cm),在相同功率等级下,全SiC 功率模块(SiC MOSFETsSiC SBD)的封装尺寸显著小于Si IGBT 功率模块。

主要缺点

肖特基二极管的主要缺点是反向电流相对较大。由于它的金属-半导体结,当电压反向连接时,更容易产生泄漏电流。此外,肖特基二极管往往具有较低的最大反向电压。它们的最大值往往为50V或更低。请记住,反向电压是指当电压反向连接(从阴极到阳极)时,二极管将击穿并开始传导大量电流的值。这意味着肖特基二极管不能承受很大的反向电压而不击穿和传导大量电流。即使在达到最大反向值之前,它仍会泄漏少量电流。

根据电路的应用和使用,这可能被证明是重要的或不重要的。



五、碳化硅的市场

根据市场调研的数据,2021年碳化硅功率器件的市场规模超过10亿美元,并预计到2025年,这个数字将超过37亿美元,年复合增长率(CAGR)超过34%。

另一家知名产业研究机构也做出了类似的判断,认为化合物半导体功率器件的市场规模将从2021年的9.8亿美元,成长至2025年的47.1亿美元。碳化硅占据主要份额,2025年预计达到34亿美元,略低于另一家的预测。

而在碳化硅功率器件的应用领域中,新能源汽车是重中之重,2021年采购量占全部用量的三分之二,之后这一比例还将逐渐提升,在2025年达到76%。

现在IGBT市场一年全球大约是80-110亿美金,如果按照我的设想,降低到750美金的成本,吃掉增量市场就是30%,就有30多亿美金了,如果降低到550亿的成本, 能吃到存量市场至少要占50%以上,那是50多亿美金。我认为碳化硅会一直卷硅的IGBT/MOSFET,卷到到低于2000w产品,卷不动为止,这至少有50%以上了,所以碳化硅干到50亿美金的市场规模,我觉得未来是很有可能的。

六、盘点国内碳化硅公司

1.碳化硅衬底公司现在至少有天岳,天科,同光晶体,中电2所,三安,神州科技,世纪金光,超芯星,中科钢研,露笑,东尼,晶盛机电,以及浙江晶睿,大和热磁等要进军的企业。

外延主要是瀚天天成和天域,天科,天岳也有一部分外延能力,中电科的国盛,普兴等。

2.器件制造就更多了包括,华润微,士兰微,瞻芯,世纪金光,泰科天润,基本半导体,三安,积塔,启迪(长光),扬杰科技,中车时代,芯光润泽等等

半导体工艺与设备 1、半导体工艺研究、梳理和探讨。 2、半导体设备应用、研发和进展。 3、建华高科半导体设备推广,包括:曝光机、探针台、匀胶机和切片机。 4、四十五所半导体设备推广,包括:湿化学设备、先进封装设备、电子元器件生产设备等。
评论 (0)
  • 想不到短短几年时间,华为就从“技术封锁”的持久战中突围,成功将“被卡脖子”困境扭转为科技主权的主动争夺战。众所周知,前几年技术霸权国家突然对华为发难,导致芯片供应链被强行掐断,海外市场阵地接连失守,恶意舆论如汹涌潮水,让其瞬间陷入了前所未有的困境。而最近财报显示,华为已经渡过危险期,甚至开始反击。2024年财报数据显示,华为实现全球销售收入8621亿元人民币,净利润626亿元人民币;经营活动现金流为884.17亿元,同比增长26.7%。对比来看,2024年营收同比增长22.42%,2023年为7
    用户1742991715177 2025-05-02 18:40 51浏览
  • 在全球制造业加速向数字化、智能化转型的浪潮中,健达智能作为固态照明市场的引领者和智能电子以及声学产品的创新先锋,健达智能敏锐捕捉到行业发展的新机遇与新挑战,传统制造模式已难以满足客户对品质追溯、定制化生产和全球化布局的需求。在此背景下, 健达智能科技股份有限公司(以下简称:健达智能)与盘古信息达成合作,正式启动IMS数字化智能制造工厂项目,标志着健达智能数字化转型升级迈入新阶段。此次项目旨在通过部署盘古信息IMS系统,助力健达实现生产全流程的智能化管控,打造照明行业数字化标杆。行业趋势与企业挑战
    盘古信息IMS 2025-04-30 10:13 33浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍2023年,厨电行业在相对平稳的市场环境中迎来温和复苏,看似为行业增长积蓄势能。带着对市场向好的预期,2024 年初,老板电器副董事长兼总经理任富佳为企业定下双位数增长目标。然而现实与预期相悖,过去一年,这家老牌厨电企业不仅未能达成业绩目标,曾提出的“三年再造一个老板电器”愿景,也因市场下行压力面临落空风险。作为“企二代”管理者,任富佳在掌舵企业穿越市场周期的过程中,正面临着前所未有的挑战。4月29日,老板电器(002508.SZ)发布了2024年年度报告及2025
    华尔街科技眼 2025-04-30 12:40 302浏览
  • ‌一、高斯计的正确选择‌1、‌明确测量需求‌‌磁场类型‌:区分直流或交流磁场,选择对应仪器(如交流高斯计需支持交变磁场测量)。‌量程范围‌:根据被测磁场强度选择覆盖范围,例如地球磁场(0.3–0.5 G)或工业磁体(数百至数千高斯)。‌精度与分辨率‌:高精度场景(如科研)需选择误差低于1%的仪器,分辨率需匹配微小磁场变化检测需求。2、‌仪器类型选择‌‌手持式‌:便携性强,适合现场快速检测;‌台式‌:精度更高,适用于实验室或工业环境。‌探头类型‌:‌横向/轴向探头‌:根据磁场方向选择,轴向探头适合
    锦正茂科技 2025-05-06 11:36 38浏览
  • 一、gao效冷却与控温机制‌1、‌冷媒流动设计‌采用低压液氮(或液氦)通过毛细管路导入蒸发器,蒸汽喷射至样品腔实现快速冷却,冷却效率高(室温至80K约20分钟,至4.2K约30分钟)。通过控温仪动态调节蒸发器加热功率,结合温度传感器(如PT100铂电阻或Cernox磁场不敏感传感器),实现±0.01K的高精度温度稳定性。2、‌宽温区覆盖与扩展性‌标准温区为80K-325K,通过降压选件可将下限延伸至65K(液氮模式)或4K(液氦模式)。可选配475K高温模块,满足材料在ji端温度下的性能测试需求
    锦正茂科技 2025-04-30 13:08 442浏览
  •  一、‌核心降温原理‌1、‌液氮媒介作用‌液氮恒温器以液氮(沸点约77K/-196℃)为降温媒介,通过液氮蒸发吸收热量的特性实现快速降温。液氮在内部腔体蒸发时形成气-液界面,利用毛细管路将冷媒导入蒸发器,强化热交换效率。2、‌稳态气泡控温‌采用‌稳态气泡原理‌:调节锥形气塞与冷指间隙,控制气-液界面成核沸腾条件,使漏热稳定在设定值。通过控温仪调整加热功率,补偿漏热并维持温度平衡,实现80K-600K范围的快速变温。二、‌温度控制机制‌1、‌动态平衡调节‌控温仪内置模糊控制系统,通过温度
    锦正茂科技 2025-04-30 11:31 32浏览
  • 网约车,真的“饱和”了?近日,网约车市场的 “饱和” 话题再度引发热议。多地陆续发布网约车风险预警,提醒从业者谨慎入局,这背后究竟隐藏着怎样的市场现状呢?从数据来看,网约车市场的“过剩”现象已愈发明显。以东莞为例,截至2024年12月底,全市网约车数量超过5.77万辆,考取网约车驾驶员证的人数更是超过13.48万人。随着司机数量的不断攀升,订单量却未能同步增长,导致单车日均接单量和营收双双下降。2024年下半年,东莞网约出租车单车日均订单量约10.5单,而单车日均营收也不容乐
    用户1742991715177 2025-04-29 18:28 302浏览
  • 你是不是也有在公共场合被偷看手机或笔电的经验呢?科技时代下,不少现代人的各式机密数据都在手机、平板或是笔电等可携式的3C产品上处理,若是经常性地需要在公共场合使用,不管是工作上的机密文件,或是重要的个人信息等,民众都有防窃防盗意识,为了避免他人窥探内容,都会选择使用「防窥保护贴片」,以防止数据外泄。现今市面上「防窥保护贴」、「防窥片」、「屏幕防窥膜」等产品就是这种目的下产物 (以下简称防窥片)!防窥片功能与常见问题解析首先,防窥片最主要的功能就是用来防止他人窥视屏幕上的隐私信息,它是利用百叶窗的
    百佳泰测试实验室 2025-04-30 13:28 538浏览
  • 在智能硬件设备趋向微型化的背景下,语音芯片方案厂商针对小体积设备开发了多款超小型语音芯片方案,其中WTV系列和WT2003H系列凭借其QFN封装设计、高性能与高集成度,成为微型设备语音方案的理想选择。以下从封装特性、功能优势及典型应用场景三个方面进行详细介绍。一、超小体积封装:QFN技术的核心优势WTV系列与WT2003H系列均提供QFN封装(如QFN32,尺寸为4×4mm),这种封装形式具有以下特点:体积紧凑:QFN封装通过减少引脚间距和优化内部结构,显著缩小芯片体积,适用于智能门铃、穿戴设备
    广州唯创电子 2025-04-30 09:02 336浏览
  • 浪潮之上:智能时代的觉醒    近日参加了一场课题的答辩,这是医疗人工智能揭榜挂帅的国家项目的地区考场,参与者众多,围绕着医疗健康的主题,八仙过海各显神通,百花齐放。   中国大地正在发生着激动人心的场景:深圳前海深港人工智能算力中心高速运转的液冷服务器,武汉马路上自动驾驶出租车穿行的智慧道路,机器人参与北京的马拉松竞赛。从中央到地方,人工智能相关政策和消息如雨后春笋般不断出台,数字中国的建设图景正在智能浪潮中徐徐展开,战略布局如同围棋
    广州铁金刚 2025-04-30 15:24 283浏览
  • 多功能电锅长什么样子,主视图如下图所示。侧视图如下图所示。型号JZ-18A,额定功率600W,额定电压220V,产自潮州市潮安区彩塘镇精致电子配件厂,铭牌如下图所示。有两颗螺丝固定底盖,找到合适的工具,拆开底盖如下图所示。可见和大部分市场的加热锅一样的工作原理,手绘原理图,根据原理图进一步理解和分析。F1为保险,250V/10A,185℃,CPGXLD 250V10A TF185℃ RY 是一款温度保险丝,额定电压是250V,额定电流是10A,动作温度是185℃。CPGXLD是温度保险丝电器元件
    liweicheng 2025-05-05 18:36 54浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦