什么是碳化硅晶片

碳化硅晶片的定义

碳化硅晶片也叫碳化硅衬底，是以第三代半导体材料碳化硅制成的单晶薄片，是制造碳化硅半导体芯片的基础材料，处于半导体制造前端，其质量和性能决定芯片和器件性能、可靠性及成本，是产业发展核心要素之一。

碳化硅晶片的特点优势

宽带隙特性

SiC带隙宽度约3.2eV，是硅的约3倍。这使得SiC器件稳定性好，能在高温、高电压下正常工作，提高可靠性和使用寿命，适用于高温工业环境监测设备和高电压输电线路监测芯片。

高击穿电场强度

是硅的约10倍，在功率半导体器件中可减小漂移区厚度、提高掺杂浓度，降低导通电阻和能耗，使器件尺寸更小，如新能源汽车充电桩使用后体积小、效率高。

高导热率

是硅的约3倍，能快速传导热量，降低散热系统复杂度和成本，如数据中心服务器电源模块采用后节省空间、降低能耗和噪音。

高饱和电子漂移速率

电子移动速度快，允许器件在更高频率下开关，减少损耗，提升系统效率，在通信领域能提高信号处理质量，降低能耗。

碳化硅晶片的制备工艺

晶体生长

核心开端，用物理气相传输法，在超2300°C高温真空炉中，碳化硅原料升华后在籽晶上结晶。生长缓慢，以毫米/小时计，确保原子有序排列，减少缺陷，否则影响晶片性能。

晶锭加工

对圆柱状SiC晶锭定向、滚磨，确定晶体学方向，去除表面不平整，达到标准尺寸，需高精度设备和测量技术。

切片

SiC硬度高，用金刚石线切割成约0.5毫米薄片，切割难，易磨损断裂、产生热量致晶片缺陷，需研发新技术优化参数。

研磨、抛光与清洗

研磨用高硬度磨料去除刀痕和损伤层，控制参数防晶片开裂；抛光用化学机械抛光法达镜面光滑，控制参数防外延生长缺陷；清洗用特殊药剂和高纯水去除污染物。

外延生长

通过化学气相沉积法在抛光好的SiC晶片上生长特定单晶SiC层，质量影响器件性能，需精确控制参数。

碳化硅晶片的应用领域

新能源汽车领域

主驱动逆变器用碳化硅功率模块提升能源转换效率、续航里程，缩小电驱系统体积重量；车载充电机和DC - DC转换器用碳化硅器件提高充电速度效率，如特斯拉Model 3率先使用。

新能源发电与储能领域

光伏逆变器用碳化硅功率器件提高转换效率、降低损耗、提升设备循环寿命；储能变流器用碳化硅器件实现高效电能双向转换，提升响应速度和充放电效率。

工业与能源领域

工业电机驱动系统用碳化硅器件实现高效调速和精准控制，降低能耗；不间断电源用碳化硅器件提高转换效率和可靠性；智能电网设备用碳化硅器件满足高要求，提升输电能力和稳定性。

轨道交通领域

牵引变流器和辅助供电系统用碳化硅器件降低能量损耗，提高功率密度，实现设备小型化和轻量化，如西门子交通和慕尼黑市政公司测试显示车辆能耗减少、电机噪音降低。

通信与国防领域

通信领域碳化硅基氮化镓射频器件满足5G通信高频性能和高功率处理能力要求；国防领域碳化硅器件耐高温、抗辐射、高频高效，提升国防装备性能和作战能力。

碳化硅晶片与硅和氮化镓晶片的对比分析

材料类型

硅晶片是第一代半导体材料，应用广泛；碳化硅和氮化镓晶片是第三代，发展迅猛。碳化硅以宽禁带特性适用于高温、高压、高频场景；氮化镓在高频、低功率应用领域表现出色。

带隙

硅带隙窄，限制高温、高压工作能力；碳化硅带隙宽，能在恶劣环境稳定工作；氮化镓带隙更宽，在高频应用有优势。

击穿场强

硅击穿场强低，限制高电压应用；碳化硅击穿场强高，可降低导通电阻、减小器件尺寸；氮化镓击穿场强较高，在中低压快充等领域广泛应用。

导热性

硅导热性一般，高功率应用需复杂散热系统；碳化硅导热性好，能快速散热，在高功率应用有优势；氮化镓导热性差，限制高功率应用。

典型应用

硅晶片用于大规模集成电路领域；碳化硅晶片用于中高压功率器件领域；氮化镓晶片用于高频射频器件和中低压快充领域。

成本

硅晶片成本最低；碳化硅晶片成本高，因晶体生长难、尺寸小；氮化镓晶片成本中等，通过采用硅基衬底等技术降低成本。