僅在過去的三年中，作為一種半導體技術，碳化矽(SiC)已經發展到可以與矽競爭的水平。如今，碳化矽已進入第三代產品，其效能隨著越來越多的應用而增加。

隨著電動汽車，可再生能源和5G等行業的創新步伐迅速提高，以滿足消費者和行業的需求，電力工程師越來越多地尋求新的解決方案，以在效率，成本節省和功能方面取得優勢。

費迪南德·亨利·莫桑博士（Ferdinand Henri Moissan）於1893年在亞利桑那州的隕石殘餘物中發現了這種材料。如今，寶石可以由碳化矽形成，碳化矽與鑽石難以區分，甚至更耐高溫。而碳化矽（SiC）晶片是一種非常成功的新型半導體產品-也許晶圓廠技術人員會關注SiC“晶體棒”，並想知道使用這種材料的器件的下一步是什麼？

第三代SiC技術

讓我們回顧一下SiC技術的現狀以及與傳統矽解決方案的競爭優勢。圖1顯示了與矽相比的基本材料特性-靠近邊緣的值更好。

圖1. Si和SiC材料特性的比較。

這裡總結一下SiC的優點：帶隙更寬、臨界擊穿電壓更高、電子速度更高、開關速度更快。對於給定的額定電壓，管芯尺寸可以小得多，從而具有低導通電阻，再加上更好的導熱性，從而可以降低損耗並降低執行溫度。較小的裸片尺寸還減少了器件電容，從而降低了開關損耗，而SiC固有的高溫效能反而降低了熱應力。

當作為碳化矽場效應電晶體(SiC FET)實現時，使用UnitedSiC JFET與Si-MOSFET共同封裝的的共源共柵，實現了一個常開型器件，具有快速、低損耗的體二極體、高雪崩能量額定值和短路條件下的自限流。SiC FET具有易於柵極驅動的特性，可與老式Si-MOSFET甚至IGBT相容，因此，透過提供相容的封裝，可以輕鬆地從較早的器件型別進行升級。

對於高開關頻率應用，現在還提供扁平的DFN8x8封裝，可最大程度地減小引線電感，因此非常適合諸如LLC和相移全橋轉換器之類的硬開關和軟開關應用。

使用該技術，UnitedSiC UF3C系列器件突破了障礙，這是首款採用凱爾文4引腳TO-247封裝，在1200V類器件中RDS（ON）低於10毫歐的SiC FET。門連線。

UnitedSiC中使用的SiC晶圓已發展到六英寸的尺寸，其規模經濟性使其可與矽的價格水平保持一致，並用於大眾市場應用以及尖端的創新產品。

進一步改善SiC FET的驅動能力

SiC場效應電晶體已接近理想開關，但市場仍有更高的要求；電動汽車逆變器需要最佳的效率，以提高驅動範圍；資料中心/5G應用中的高功率DC-DC以及AC-DC轉換器必須儘可能少的耗散功率，以最大限度地減少能量損失、佔地面積和成本；工業界希望更小、更高效的電機驅動器能更好地利用工廠空間等待。SiC的其他新應用也已經開發出來，可以利用SiC的一些優勢-例如，固態斷路器現在可以在大電流水平下實現非常低的損耗，甚至線性電源電路（如電子負載），都可以透過SiC器件的安全工作區(SOA)擴充套件來獲得更好的效果。

隨著系統工程師認識到在節省能源和硬體成本的同時可以減少尺寸和提高冷卻效果，他們希望擁有更多相同的器件，以及具有更廣泛應用的裝置，例如更高的電壓和電流額定值以及更多的封裝選項。

碳化矽改良引數

顯然，SiC比其他開關型別的關鍵FOM有了很大的改進，但是要想獲得更好的效能，還有多大的空間？還需要考慮其他引數，這些引數可能會與FOM的改進相抵消。如圖2，箭頭表示了更好效能的運動方向。BV是臨界擊穿電壓，COSS是輸出電容，Qrr是反向恢復電荷，ESW是開關能量損失，二極體浪湧是體二極體效應峰值電流額定值，SCWT是短路耐受額定值，UIS是非箝位電感開關額定值，RthJ-C是外殼熱阻。

圖2.SiC FET的特性及其演變方向（ 藍色表示現在，橙色表示未來）

有些特性可以相互促進，例如較小的晶粒尺寸可以降低COSS，從而降低ESW；而其他特性則是一種權衡，例如，減小晶粒體積可能導致UIS能量額定值降低。不過，峰值雪崩電流不會受到影響，這是典型的低能量雜散電感相關的過沖或雷電測試結果。

然而，在封裝設計上的改進有很大的空間，可以看到RSD(ON)。與顯著縮小的晶片減半。那麼COSS也會以同樣的比例下降，ESW相應的下降。隨著RDS(ON)的相應改進，更薄的裸片也是可能的，但UnitedSiC相信，這不會以犧牲額定電壓為代價，因為隨著750V的新標準電壓等級的提高，額定電壓將向1700V上升。

挑戰還在前面，例如需要起始材料趨向於零缺陷和完美的平面度，但是在每個晶圓片上的裸片數量和“交叉”方面，成品率一直在不斷提高。請記住，SiC仍然是一種相對年輕的技術，處於其發展曲線的起點，就像之前的MOSFET一樣，它在未來的成本和效能方面具有顯著的改進前景。

SiC封裝的演變

隨著SiC FET器件的改進和擴充套件到不同的應用領域，可以預料封裝型別也將擴大。

目前，TO-247封裝很受歡迎，因為它們可以作為某些MOSFET和IGBT的直接替代品，並且許多型別是四引線的，包括用於柵極驅動的開爾文連線。這有助於克服源極引線電感的影響，否則會導致漏極-源極di/dt較高而導通。D2PAK-3L和-7L以及TO-220-3L，TO247以及最近從UnitedSiC推出的表面貼裝薄型DFN8x8封裝均經過最佳化，以最小的封裝電感實現了高頻工作。

將來，將提供其他SMD封裝，其中大多數採用銀燒結模壓連線，以獲得更好的熱效能。模組中的多個SiC裸片也將變得更加廣泛，單個裸片的額定電壓可能高達1200V，而使用堆疊式 "超級級聯 "安排的6000V或更高的額定電壓，以實現極高的功率。這些產品將被用於固態變壓器、MV-XFC快速充電器、風能發電系統、牽引和HVDC。

關於 SiC

在隕石和地殼中含有少量的SiC（silicon carbide，碳化矽），但迄今尚未找到可供開採的礦源。工業用SiC是1891年研製成功，由於其化學效能穩定、導熱係數高、熱膨脹係數小、耐磨效能好，最早的用途是研磨材料。

SiC 應用領域

1. 因其硬度高、切削力強的特點，作為磨料可用來做磨具，如砂輪、磨頭等。

如：玉器珠寶的拋光、玻璃石材、合金、電子元件等的研磨及拋光、太陽能電池基板的切割、建築築路、服裝行業（牛仔布噴砂）、美容工具和砂輪的製造等。

2. 因其耐高溫、強度大、導熱效能良好、抗衝擊特點，作為高溫間接加熱材料和冶金脫氧劑等。

如：低品級碳化矽（含SiC約 85%）是極好的脫氧劑，用它可加快鍊鋼速度，並便於控制化學成分，提高鋼的質量。

以上兩種用途的SiC材料又叫金剛砂或耐火砂，分為黑色碳化矽和綠色碳化矽兩種，均為六方晶體（α-SiC）。黑碳化矽，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強度比綠碳化矽大，但硬度較低。綠碳化矽，含SiC 97% 以上，主要用磨硬質合金工具。它們的硬度都介於剛玉和金剛石之間。

3. 用於製造半導體的高純度單晶材料，材料的生長和器件的製備是高新技術產業。

與矽（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的傳統半導體材料相比，SiC半導體材料是第三代半導體材料，具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高健合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，因而是半導體材料領域最後前景的材料之一。

除此之外：

因其良好的導熱性，SiC材料製成的器件還應用於航空、航天探測、核能開發、衛星、石油和地熱鑽井勘探、汽車發動機等需要高溫（350~500℃）的工作環境中；

因其寬禁帶和高化學穩定性，也應用在抗輻射領域；

因其高電子飽和漂移速度，高頻和微波SiC器件具有不可替代的優勢；

因其具有大的擊穿電場，高頻率SiC器件在雷達、通訊和廣播電視領域具有重要的應用前景；

因其具有良好的熱導率，也能成為製造大尺寸、超高亮度白光和藍光GaN LED（light emitting diode，發光二極體）和 LD（laser diode，鐳射二極體）的理想襯底材料，成為光電行業的關鍵基礎材料之一。

總結

目前，中國是前兩種用途SiC材料的生產大國，在國際市場上對其價格有控制作用，產地主要分佈在甘肅、寧夏、青海、新疆、河南、四川等地區。國內的一些研究機構、企業也涉足SiC晶體生產的研究，或自行研製、或引進生長裝置。但是中國對SiC晶片的應用還不足，SiC產業的下游企業還沒有形成規模，整個產業鏈還不夠完備，還需要加大投入和研究力度。

碳化矽陶瓷在高技術產業應用廣泛 國內高階生產力亟需提升

　　碳化矽陶瓷是以碳化矽、有機粘合劑為原材料，在新增劑的作用下燒結成型的陶瓷材料。碳化矽陶瓷具有優異的剛性、抗彎強度、熱傳導性、高溫強度、耐磨損性、耐腐蝕性、高溫抗氧化性以及摩擦係數低、熱膨脹係數低、密度小等特性，是陶瓷材料中高溫力學性最好、非氧化物陶瓷中抗氧化性最好的陶瓷材料。 　　隨著科技不斷進步，高技術產業不斷髮展壯大，對材料的力學效能、耐高溫性、抗腐蝕性等要求日益嚴苛，在此背景下，碳化矽陶瓷應用領域不斷拓寬，需求不斷擴大。碳化矽陶瓷可以製造高頻電子器件、電磁遮蔽材料、導熱散熱材料、高溫軸承、高溫耐蝕部件、磨料磨具、耐火材料等，被廣泛應用在微電子、儀器儀表、機械、汽車、冶金、化工、石油、鐳射、核工業、航空航天等領域。

　　根據新思界產業研究中心釋出的《2020年碳化矽陶瓷專案商業計劃書》顯示，碳化矽陶瓷的製備工藝主要包括化合法、熱分解法、氣相法、阿奇遜法等，其燒結難度較高，生產工藝複雜。在全球範圍內，碳化矽陶瓷主要供應商有法國聖戈班、德國雄克集團等。這些企業技術工藝水平高，產品質量、效能、可靠性高。經過不斷髮展，中國碳化矽陶瓷行業規模不斷擴大，生產企業不斷增多，代表性企業主要有瀋陽星光、洛陽鵬飛、山東金鴻、濰坊致達等。

　　中國碳化矽陶瓷生產企業數量眾多，行業整體產能不斷擴大，全國較多地區均有分佈。碳化矽陶瓷產品中，低端產品技術門檻較低，因此國內聚集了大批企業，這些企業在規模、技術、工藝、產品質量等方面參差不齊，依靠價格戰爭奪市場；少數優秀企業經過技術、經驗的不斷積累，研發創新能力不斷增強，工藝水平不斷提高，競爭力不斷提升。中國碳化矽陶瓷行業發展呈現兩極分化格局，隨著下游應用領域逐漸向高技術產業傾斜，未來實力不足企業被淘汰速度將加快。

　　碳化矽陶瓷也存在缺點，例如脆性較大、易斷裂，為提高其韌性，採用高強度、高彈性纖維與之複合製成的碳化矽陶瓷基複合材料應運而生。碳化矽陶瓷基複合材料綜合性能優異，可以應用在高速切削工具、高檔汽車、飛機、火箭、導彈等領域。碳化矽陶瓷基複合材料技術壁壘高，全球僅有日本、美國、西歐等少數國傢俱備先進生產工藝，中國與之相比差距較大，市場需求依靠進口，亟需實現進口替代。

　　新思界行業分析人士表示，碳化矽陶瓷是新材料的一種，其下游應用範圍廣泛，特別是在高技術產業領域應用需求持續增長，未來市場前景廣闊。經過不斷髮展，中國碳化矽陶瓷行業生產能力不斷提升、技術水平不斷提高，但在高階產品領域，國內需求還需依靠進口，尤其是在碳化矽陶瓷基複合材料領域，中國與發達國家相比存在較大差距。未來，中國碳化矽陶瓷行業技術水平還需不斷進步。