領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體碳化硅芯片是什么？

功率半導(dǎo)體的技術(shù)和材料創(chuàng)新，致力于提高能量轉(zhuǎn)換效率（理想轉(zhuǎn)換率為100%）?；?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/492725.html">SiC材料的功率器件比傳統(tǒng)的Si基功率器件具有更高的效率和更低的損耗。廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏風(fēng)電、不間斷電源、家用電器和工業(yè)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前SiC工業(yè)發(fā)展的瓶頸主要是SiC襯底的高成本(是Si的4~5倍，預(yù)計(jì)在未來1年內(nèi)價(jià)格將逐漸下降到Si的2倍)。

一、KeepTops第三代半導(dǎo)體SIC材料的性能優(yōu)勢(shì)。

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）和鍺（Ge）半導(dǎo)體材料，應(yīng)用廣泛，包括集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電視、航空航天、各種軍事工程以及快速發(fā)展的在新能源和硅光伏產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

第二代半導(dǎo)體材料主要指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）等。它們主要用于制造高速、高頻、大功率和發(fā)光電子器件（LED）。它們被用來制造高性能的電子設(shè)備。微波、毫米波器件和發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

硅基器件在600V以上的高壓和大功率應(yīng)用中達(dá)到其性能極限。為了提高器件在高電壓/大功率下的性能，第三代半導(dǎo)體材料SiC（寬禁帶）應(yīng)運(yùn)而生。

第三代半導(dǎo)體主要是SIC和甘。第二代和第三代又稱復(fù)合半導(dǎo)體，是由兩種元素組成的半導(dǎo)體材料，不同于簡單的半導(dǎo)體，如硅/鍺。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈概述

KeepTops的SiC材料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。SiC和GaN是第三代半導(dǎo)體材料。與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì)，因此又被稱為寬禁帶。用半導(dǎo)體材料，特別適用于5G射頻器件和高壓功率器件。

二、第三代半導(dǎo)體集成電路器件的性能優(yōu)勢(shì)。

SIC功率器件如SIC MOS可以具有比Si基IGBT更低的導(dǎo)通電阻。這體現(xiàn)在產(chǎn)品上，這意味著尺寸減小，從而減小了體積。開關(guān)速度快，功耗也與傳統(tǒng)器件進(jìn)行了比較。功率器件必須大大減少。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，電池是重而有價(jià)值的。如果在使用SIC器件時(shí)能夠降低功耗和尺寸，那么電池的布置將更容易。同時(shí)，SIC在高壓直流充電樁中的應(yīng)用，將大大縮短充電時(shí)間，帶來巨大的社會(huì)效益。

根據(jù)科銳提供的計(jì)算結(jié)果：當(dāng)純電動(dòng)汽車的BEV逆變器中的功率部件全部改為SIC后，整車的功耗可降低5%—10%。這樣可以提高電池壽命或降低動(dòng)力電池成本。

綜上所述，SiC器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，將提高電動(dòng)汽車的耐久性：。

1、高功率轉(zhuǎn)換效率：SiC是一種具有大擊穿場(chǎng)強(qiáng)的寬能隙材料，比Si基半導(dǎo)體材料更適合大功率應(yīng)用場(chǎng)景。

2、高功率利用效率：SiC是一種具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的寬能隙材料，比Si基半導(dǎo)體材料更適合大功率應(yīng)用場(chǎng)景。

3、低無效熱耗：開關(guān)頻率高，速度快，減少了無效熱耗，簡化了電路和散熱系統(tǒng)。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈

SIC產(chǎn)業(yè)鏈分為三大環(huán)節(jié)：上游SIC硅片及外延→中間功率器件制造（包括三個(gè)小環(huán)節(jié)：經(jīng)典IC設(shè)計(jì)→制造→封裝）→下游工控、新能源汽車、光伏風(fēng)電等應(yīng)用。

集成電路應(yīng)用：新能源汽車充電樁和光伏將率先采用。

SiC具有上述各種優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的高壓/大功率/高頻功率器件材料。因此，SiC功率器件被應(yīng)用于新能源汽車、充電樁、新能源發(fā)電的光伏和風(fēng)電等，對(duì)于增效節(jié)能非常重要。消費(fèi)和虧損等指標(biāo)相對(duì)重要的領(lǐng)域，發(fā)展前景明顯。

硅IGBT用于高頻低壓，SiC MOS用于高頻高壓。電壓和功率都不大，但GaN用于高頻。在低頻率和高電壓下工作時(shí)，最好使用Si IGBT。如果頻率稍高但電壓不是很高功率也不是很大的話，最好使用硅MOSFET。如果是既高頻又高壓的話，最好用SiC MOSFET。電壓不需要很高，功率也不需要很高，但頻率不需要很高。這種情況下，GaN的效果最好。

SIC器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

以SIC MOS在新能源汽車中的應(yīng)用為例，根據(jù)科銳提供的計(jì)算：當(dāng)純電動(dòng)汽車的BEV逆變器中的功率元件全部換成SIC后，整車的功耗可降低5%—10%。這樣可以提高電池壽命或降低動(dòng)力電池成本。

SIC MOS的各種優(yōu)點(diǎn)，提高了電動(dòng)汽車的電池壽命。同時(shí)，SIC MOS在快充充電樁等領(lǐng)域也將擁有巨大潛力。快速充電樁通過IGBT或SIC MOS將外部交流電轉(zhuǎn)化為直流電，再對(duì)新能源汽車電池進(jìn)行直接充電。他們也非常敏感的損失和他們所占的體積。因此，無論成本如何，SIC MOS比IGBT效率更高。有前景和需求。由于目前SIC的成本是Si的4—5倍，它將首先被引入高功率規(guī)格的快速充電樁。在光伏領(lǐng)域，高效率、高功率密度、高可靠性和低成本是光伏逆變器未來的發(fā)展趨勢(shì)。因此，基于性能更好的SIC材料的光伏逆變器也將是未來重要的應(yīng)用趨勢(shì)。

碳化硅晶片主要用于制作高壓功率器件和高頻功率器件，SiC晶片主要分為兩類：導(dǎo)電SiC晶片經(jīng)SiC外延后制成高壓功率器件。半絕緣SIC芯片經(jīng)GaN外延后制成5G射頻器件。

SIC和GaN功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)。

第三代半導(dǎo)體GaN在高頻射頻領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模：根據(jù)優(yōu)樂的數(shù)據(jù)，氮化鎵射頻市場(chǎng)規(guī)模在2017年為4億美元，到2023年增長到近13億美元，復(fù)合增長率為22%。整體下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，以通信和軍工為主，兩者合計(jì)占比約80%。2018—2025年整體射頻器件市場(chǎng)空間在8%左右，GaN射頻器件的增長率遠(yuǎn)高于整體射頻器件市場(chǎng)的增長。

KeepTops的SIC芯片的壁壘比較高，主要體現(xiàn)在：

芯片的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。在封閉的高溫腔內(nèi)有序排列原子，完成晶體生長，同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。將生長的晶體加工成可以滿足半導(dǎo)體器件制造需要的芯片，涉及一系列高難度的工藝控制。隨著碳化硅晶體尺寸的增大和產(chǎn)品參數(shù)要求的提高，生產(chǎn)參數(shù)的定制設(shè)置和動(dòng)態(tài)控制的難度將進(jìn)一步增加。因此，要穩(wěn)定批量生產(chǎn)各種性能參數(shù)波動(dòng)小的高質(zhì)量碳化硅晶圓，在技術(shù)上存在一定的難度，這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 精確的溫度控制：碳化硅晶體需要在2000°C以上的高溫環(huán)境中生長，生產(chǎn)時(shí)需要精確控制生長溫度，控制難度極大。

2. 很容易產(chǎn)生多晶雜質(zhì)：碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)類型有200多種，其中少數(shù)幾種具有六方結(jié)構(gòu)4H型（4H—Si C）等晶體結(jié)構(gòu)的單晶碳化硅是所需的半導(dǎo)體材料。在晶體生長過程中，需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率和氣流壓力等參數(shù)。否則，很可能出現(xiàn)多晶夾雜物，導(dǎo)致不合格的晶體。

3. 晶體擴(kuò)徑困難：在氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴(kuò)徑技術(shù)極為困難。隨著晶體尺寸的增大，生長過程的難度呈幾何級(jí)數(shù)增加。

4. 極硬且難以切割：碳化硅的硬度接近金剛石，切割、研磨、拋光技術(shù)都很困難。提高技術(shù)水平需要長期的研發(fā)積累。

半導(dǎo)體材料目前經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，第一代硅（Si）和鍺（Ge）。第二代開始由兩種以上元素組成的化合物半導(dǎo)體組成，如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）。以及第三代寬禁帶材料，如碳化硅和氮化鎵。氮化鎵）的縮寫。碳化硅具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)頻率高、耐高溫、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，在新能源汽車、光伏和風(fēng)電、不間斷電源、家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管成本仍是制約碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重要障礙，但隨著國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和成本的不斷降低，行業(yè)的發(fā)展點(diǎn)有所下降。