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

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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。

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四、碳化硅功率器件的电气性能优势：

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