半導體行業作為現代電子信息產業的基礎，是支撐國民經濟高質量發展的重要行業。第三代半導體指的是SiC、GaN、ZnO、金剛石（C）、AlN等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料。碳化硅是目前發展最成熟的第三代半導體材料。

01 碳化硅晶體結構

碳化硅（SiC）由碳（C）原子和硅（Si）原子組成，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕見，主要通過人工合成。其晶體結構具有同質多型體的特點，在半導體領域最常見的是具有立方閃鋅礦結構的3C-SiC和六方纖鋅礦結構的4H-SiC和6H-SiC。

02 碳化硅基本性質

碳化硅硬度在20℃時高達莫氏9.2-9.3，是最硬的物質之一，可以用于切割紅寶石；

導熱率超過金屬銅，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其熱穩定性高，在常壓下不可能被熔化；

碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點，其禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場為Si的10倍。

4H-SiC和6H-SiC的材料參數

03 碳化硅材料的發展歷程

1824年，當時的瑞典科學家Berzelius在人工合成金剛石的實驗中意外發現了碳化硅這一物質。但因為碳化硅在自然界存量極少，沒能引起足夠的關注。

1885年，另一位化學家Acheson在石英砂與碳的混合加熱過程中，高溫生成了SiC晶體，這也是人類歷史上首次制備純凈的碳化硅。

1959年，一位荷蘭科學家提出了一種通過升華的方式讓單晶體生長的方法，隨后又在1978年被俄羅斯科學家進行了改良和優化。

1979年，以碳化硅為主要材料的藍色發光二極管被發明了出來。

直到現在，在后續的研發和應用過程中，碳化硅以各種形態和應用方式在電子信息存儲、傳輸和數據通訊等相關行業內發揮了巨大的作用，憑借其穩定的化學特性和優秀的半導體材料特質，在半導體材料領域獲得了極大的發展空間。

04 碳化硅半導體的優勢

碳化硅晶體材料應用優點

05 碳化硅半導體產業鏈

碳化硅半導體產業鏈主要包括“碳化硅高純粉料→單晶襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應用”等環節。

5.1碳化硅高純粉料

碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產品純度直接影響碳化硅單晶的生長質量以及電學性能。

碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學氣相沉積法、等離子體法和激光誘導法等。

5.2單晶襯底

單晶襯底是半導體的支撐材料、導電材料和外延生長基片。生產碳化硅單晶襯底的關鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導體材料應用的主要技術難點，是產業鏈中技術密集型和資金密集型的環節。目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD法）等。

碳化硅單晶生長方法對比表

5.3外延片

碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。

目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。其中，CVD法是制備高質量碳化硅晶體薄膜材料與器件的主要方法。

5.4功率器件

采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。

按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。

從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導體領域的應用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產光電子領域的功率器件。

5.5模塊封裝

模塊封裝可以優化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性，可靈活地將功率器件與不同的應用方案結合。

目前，量產階段的相關功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主，少數采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。

5.6終端應用

碳化硅器件具有體積小、功率大、頻率高、能耗低、損耗小、耐高壓等優點。當前主要應用領域：各類電源及服務器，光伏逆變器，風電逆變器，新能源汽車的車載充電機、電機驅動系統、直流充電樁，變頻空調，軌道交通，軍工等。

06 碳化硅寬禁帶半導體目前存在問題

① 大尺寸SiC單晶襯底制備技術仍不成熟。

目前國際上已經開發出了8英寸SiC單晶樣品，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術；p型襯底技術的研發較為滯后。

② n型SiC外延生長技術有待進一步提高。

③ SiC功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。

國際SiC器件領域：SiC功率器件向大容量方向發展受限制；SiC器件工藝技術水平比較低；缺乏統一的測試評價標準。

中國SiC功率器件領域存在以下3個方面差距：

（1）在SiCMOSFET器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，產業化水平不容樂觀。

（2）SiC芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立SiC工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。

（3）SiC器件高端檢測設備被國外所壟斷。

④ 目前SiC功率模塊存在的主要問題：

（1）采用多芯片并聯的SiC功率模塊，會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗，無法發揮SiC器件的優良性能；SiC功率模塊雜散參數較大，可靠性不高。

（2）SiC功率高溫封裝技術發展滯后。

⑤ SiC功率器件的驅動技術尚不成熟。

⑥ SiC器件的應用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只適合于對精度要求較低的常規工業場合。

07 SiC器件在各行業中的應用及優勢

電源/大型服務器：用于電源及功率因數校正器內部，減積減重、提高效率、降低損耗。

光伏：用于光伏逆變器中，光伏發電產生的電流為直流電，需要通過逆變器轉換為交流電以實現并網。采用SiC功率器件可以減積減重；提高逆變轉化效率2%左右，綜合轉換效率達到98%；降低損耗，提高光伏發電站經濟效益；SiC材料特性，降低故障率。

風電：用于風電整流器、逆變器、變壓器，風力發電產生的交流電易受風力影響使得電壓、電流不穩定，先要經過整流為直流電后再逆變成交流電實現并網，提高效率、降低損耗，同時成本和質量分別減少50%和25%。

新能源汽車車載充電機（OBC）：減積減重、提高效率、降低損耗。

新能源汽車電機驅動系統：利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3，減積減重；電力損耗減少47%，開關損耗85%，提升電力使用效率；開關頻率可達硅基IGBT10倍以上，提高開關頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重；發熱量也只有硅器件的1/2，有非常優異的高溫穩定性，散熱處理更容易，散熱體積減小，可使得車輛冷卻系統的體積減少60%，甚至消除了二次液體的冷卻系統，減積減重；可實現逆變器與馬達一體化，減積減重。可綜合提高新能源汽車5%~10%左右的續航里程。

新能源汽車直流充電樁：減積減重；提高充電效率至少1%，達到96%以上的轉化效率；由于SiC功率器件對溫度依賴性較低，提高夏季高溫時段電能轉化效率；降低電能損耗，提升大型充電站的經濟效益；充電樁系統成本與硅基基本持平，性價比較高。

空調：用于變頻空調前端的功率因數校正（PFC）電源內部，體積和質量大幅減少1/2以上，功耗降低15%，綜合成本降低10%。

軌道交通：采用SiC逆變器，可使車輛系統電力損耗降低30%以上，零部件體積及質量減少40%，效率及速度提升。

電磁感應加熱：減積減重、提高效率、降低損耗。

軍工領域：各種車載、機載、船載、彈載等電源裝置，減積減重、提高效率、降低損耗。