简述碳化硅材料潜力

日期:2022-11-21 阅读:213
核心提示:碳化硅是一种无机物,化学式为 SiC,是用天然硅石、碳、木屑、工业盐作基本合成原料,在一种特殊的电阻炉中加热反应合成的。碳化

碳化硅是一种无机物,化学式为 SiC,是用天然硅石、碳、木屑、工业盐作基本合成原料,在一种特殊的电阻炉中加热反应合成的。

碳化硅产业链

碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节,包含碳化硅粉末、碳化硅晶锭、碳化硅衬底、碳化硅外延、碳化硅晶圆、碳化硅芯片和碳化硅器件封装环节。

受制于材料端的制备难度大,良率低,产能小,目前产业链最重要的环节集中于衬底、外延部分,碳化硅材料的可靠性对最终器件的性能有着举足轻重的意义。

碳化硅衬底。衬底制造是碳化硅产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节,是新近发展的宽禁带半导体的核心材料。

碳化硅的衬底可以按照电阻率分为导电型衬底和半绝缘型衬底,在导电型衬底上生长 SiC 衬底制作的功率器件可以应用在新能源汽车、电网、光伏逆变器、轨道交通等高压工作场景。在半绝缘型衬底上生长 GaN 外延制作的微波射频器件主要应用在射频开关、功率放大器、滤波器等通讯场景,可以满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理性能的要求。

碳化硅外延。碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺,由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现,所以外延的质量对器件的性能影响是非常大的,但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响,处在一个产业的中间环节,对产业的发展起到非常关键的作用。

碳化硅器件。功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。

作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过50% 的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。

碳化硅在新能源汽车领域的应用

碳化硅主要应用领域有电动汽车、充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。Yole 数据显示,到 2025 年,全球电力电子领域碳化硅市场规模将超过 30 亿美元,较 2020 年的 7 亿美元 CAGR 超过 37%。

具体到汽车应用领域,碳化硅应用于新能源车,可以降低损耗、减小模块体积重量、提升续航能力。新能源汽车技术的发展,对功率器件提出了高效、高功率、高功率密度的要求,受益于新能源汽车的放量,SiC 器件的市场份额在新能源汽车领域将会迎来爆发增长。

2015年,汽车巨头丰田就展示了全碳化硅模组的PCU。相比之下,碳化硅PCU仅为传统硅PCU的体积的1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%。

碳化硅 PCU 和硅 PCU的对比

碳化硅器件的高频高温高效特性完美契合车载器件的需求。碳化硅在电动汽车中的应用分为主驱动器,充电系统以及 DCDC 电源。

特斯拉 Model 3 率先采用 SiC,开启了电动汽车使用 SiC 先河,2020 年比亚迪汉也采用了 SiC 模块,有效提升了加速性能、功率及续航能力。

第三代半导体材料,蕴藏巨大潜力

碳化硅属于宽禁带半导体材料,又称为第三代半导体材料。

第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料,应用极为普遍,包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb),主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件(LED),是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

Si 基器件在 600V 以上高电压以及高功率场合达到其性能的极限;为了提升在高压/高功率下器件的性能,第三代半导体材料 SiC(宽禁带)应运而生。

第三代半导体主要是 SiC 和 GaN,与第一二代半导体材料相比,具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势,所以又叫宽禁带半导体材料,特别适用于 5G 射频器件和高电压功率器件。

碳化硅器件的性能优势

● 更大的禁带宽度,耐受更高温度。禁带宽度的大小决定电子从价带跳到导带的难易,决定器件的耐压值、工作温度及导通损耗。更大的禁带宽度,可以保证材料在高温高压下,电子不易发生跃迁,本征激发弱,从而可以耐受更高的工作温度和电压以及更低的导通损耗。

●  更高的击穿电场,耐受更高电压。临界击穿场强是指材料发生电击穿的电场强度,一旦超过该数值,材料将失去绝缘性能,进而决定了材料的耐压性能。材料在相同耐压值下导通损耗更小,所以发热更少,结构可以更加简化。

● 更高的热导率,散热更优。温度是影响器件寿命的主要原因之一,热导率代表了材料的导热能力,碳化硅的高热导率可以有效传导热量,降低器件温度,维持其正常工作,这使得冷却系统可以得到更好的优化。

●  更大的电子饱和漂移速率,具有高频特性。电子饱和漂移速率指电子在半导体材料中的最大定向移动速度,该数值的高低决定了器件的开关频率。碳化硅的电子饱和漂移速率是硅的两倍,有助于提高工作频率,将器件小型化。

正在崛起的第三代半导体材料

以 SiC 等为代表的第三代半导体材料,将被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域,以其优异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要作用,应用前景和市场潜力巨大。

碳化硅晶片应用为节能减排和新能源领域带来巨大变革,碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。以碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件具备高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、抗辐射能力强等优点,可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。

作为第三代半导体的代表材料,碳化硅市场发展迅速。据市场调研公司IHS Automotive的数据,2017年的碳化硅市场总量为3.99亿美元,而在2023年将会达到16.44亿美元,年复合增长率达到26.6%。其中,发展最大的是新能源汽车领域,年复合增长率达到了惊人的81.4%。

第三代半导体材料迎来爆发,碳化硅氮化镓站上了最强风口,是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。碳化硅量产后将打破国外垄断,成为国产芯片新突破点。

(来源:厦门火炬高新区)

 

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