第三代半导体材料-碳化硅（SiC）详述

SiC产业概述

碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的典型代表。

什么是半导体？

官话来说，半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

但导电性能的强弱，并非是体现半导体材料价值的最直观属性，半导体材料的导电和绝缘属性之间的切换，才是构成半导体产业的核心。半导体材料在导电和绝缘之间转换，是计算世界里0和1，电力电子领域的关闭和导通的基础。

从材料构成化学成分来分类，半导体可分为元素半导体和化合物半导体（III-V族化合物），元素半导体主要包括硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等。

 

从应用普及的进程来分类，可分为第一代半导体材料、第二代半导体材料、第三代半导体材料等。第一代半导体材料包括Si、Ge等，第二代半导体材料包括GaAs、InP等，第三代导体材料包括SiC、GaN等。

 

• 三代半导体之间关系

第一、第二、第三代半导体之间，不是简单地升级换代的关系，更不是替代的关系。每一种半导体材料属性和应用领域各不相同，不管是主流的Si，还是专用领域的GaAs，甚至是下一代的SiC和GaN，各有各的擅长之处，所谓的代数编码，更体现在应用场景和普及时间的不同，行业足够大、需求足够多样，每一种材料都会找到适合的需求空间。

 

在大规模集成电路VLSI领域，Si以其优异性能、低廉价格和成熟工艺，在IC领域占据绝对不可动摇地位。

在功率器件领域，Si基的功率器件（IGBT、MOSFET）适用于低压、高频场景，比如家电、汽车、工业电机等；SiC基的功率器件（SBD、MOSFET等），适用于高频、高压的情况，比如新能源汽车、光伏逆变、轨道交通等；GaN材料电子饱和漂移速率最高，适合低压高频率应用场景，但是受导热性限制，在高压高功率场景不如SiC。以电压来分，0-300V是Si基功率器件占据优势，600V以上是SiC占据优势，300V-600V之间则是GaN材料的优势领域。

在射频器件领域，Si基LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下；GaAs工作微波波段范围广（频率300Hz-300GHz间），已成为主流射频器件材料。GaN适合微波射频器件，用于高频微波通信领域，比如5G毫米波通信、雷达、卫星通信等。

• 第三代半导体在产业链位置

同第一代、第二代半导体产业链一样，第三代半导体也主要分为设备、材料、晶圆（衬底、外延）、制造代工、封测、芯片/器件等环节。

对于第三代半导体，因为目前主要应用于高功率电力电子、微波射频等领域，所以器件的主要形式为功率半导体器件和射频器件。

衬底晶片/外延片制造、芯片设计、晶圆制造代工、封测就构成了第三代半导体的产业链条。

 

注：SiC在第三代半导体产业中主要发挥衬底晶片和外延片的作用，与第一代半导体产业中的硅片和外延片作用相当。

• 碳化硅（SiC）概念

碳化硅（SiC）是第三代半导体材料的典型代表，属于III-V族化合物，是无色透明的晶体，实际产业应用中，因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色。

SiC晶体呈现多态，有200多种晶体结构，区别在于每对Si-C原子堆垛次序不同。在沿密排方向原子堆垛过程中，由于沿晶轴方向每对Si-C原子层可以有各种不同的堆垛次序，从而构成了大量不同的Si-C原子层周期结构的SiC多型体。

每对连贯的Si-C原子层在原有的Si-C原子层上以密排形式堆垛，相应的位置只有三个，分别标以A、B、C。如果是ABCABC…，得到闪锌矿型的3C-SiC；如果是ABAB…，则得到2H-SiC，如果是ABAC…，则得到4H-SiC；如果是ABCACB…，则是6H-SiC。

3C-SiC(β-SiC)因其结构和GaN相似，可以用来生长GaN外延层，制造SiC-GaN射频器件；4H-SiC(α-SiC)可以制造大功率器件；6H-SiC(α-SiC)最稳定，可以制造光电器件。

SiC具有优越的物理新能：高禁带宽度、高电导率、高热导率、低通损耗等，特别适合于电力电子领域的高功率半导体器件的制造。

注：关于相关指标的解释和意义，请参考下一章

• SiC材料性能优势

SiC与传统Si半导体相比，具有宽禁带（Si的3倍）、高导热率（Si的5倍） 、高的击穿电压（Si的10倍） 、高的电子饱和漂移速率（ Si的2.5倍），具有优异的功率半导体性能（体积小、能耗低、驱动力强）。

 

• SiC衬底晶片的制备

在第三代半导体中，SiC的主要用途为制造衬底晶片和外延片。将高纯度SiC粉体在特殊工艺下生成SiC晶体，过切割、研磨、抛光、清洗等工序，制成SiC衬底晶片。SiC衬底晶片经过外延生长、器件制造等环节，可制成SiC基功率器件和微波射频器件。所以SiC衬底晶片是SiC产业的基础材料，也是SiC产业发展的核心。

 

图：6英寸导电型SiC衬底晶片

自然界不存在天然SiC材料，因此用作SiC晶体生长的高纯度SiC粉体需要人工合成。较为常用的方法是固相合成法，将高纯度石墨粉与高纯硅粉在2000℃以上的高温下反应合成SiC颗粒，经过破碎、清洗、提纯等工序，得到用于制造SiC晶体的高纯度SiC微粉原料。

另外，因为SiC物理属性的特殊性，只有固态和气态两种形态，因此不能像拉硅锭一样生成SiC晶体，目前制造SiC晶体的方法主要有三种：物理气相运输法（PVT）、溶液转移法（LPE）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）。其中PVT法因为工艺过程简单，设备价格较低，所以成为业界较为常用的长晶方法。

 

图：PVT长晶炉

在长晶炉里，完全密封的情况下，SiC粉体在2700多度的高温下被气化，然后因炉内温差，又在炉子的顶端凝结成固体晶体，就如同锅底上积累下来的厚厚一层锅灰。SiC生长速度很慢，每小时0.1-0.2mm，按照这个龟速，几天几夜能长出来一个几厘米厚的SiC晶体“棒”。

生成的SiC晶体经过晶锭加工定型、切割、研磨、抛光、检测、清洗等环节，得到第一步产品——SiC衬底晶片。

图：SiC衬底晶片制造流程

• SiC的应用领域

相比于Si基，SiC拥有更高的禁带宽度、电导率等优良特性，更适合应用在高功率和高频高速领域，如新能源汽车和5G射频器件领域。

在电力电子领域，SiC典型市场包括新能源汽车（EV/HEV）、充电桩、轨交（高铁）、功率因数校正电源（PFC）、风电、光伏（PV）、不间断电源（UPS）等。

图：SiC下游应用领域

在5G射频领域，因为SiC与GaN有着非常好的晶格适配性，两者适配度超过95%，出于成本考虑，是GaN外延片的最佳搭档。SiC基GaN外延片，5G毫米波射频PA领域，将会扮演非常重要的角色。

产业——新能源汽车&5G射频

• 新能源汽车

基于SiC衬底晶片制造的半导体功率器件具有高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗等优点，正逐渐成为高功率、高频领域功率半导体的主流。下游应用领域包括新能源汽车、充电桩、光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等。

特别是随着新能源汽车产业的发展，打开了SiC功率器件的市场空间。目前SiC器件主要应用与新能源汽车的功率控制单元（PCU）、逆变器（Inverter）、DC-DC转换器、车载充电器等方面。

根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。

图：新能源汽车 “三电”：电驱、电池、电控

在新能源汽车上，SiC功率器件替代Si基功率器件，可以有效降低能量损耗，大幅降低器件尺寸。

特斯拉是第一家在主逆变器中集成全SiC功率器件的汽车厂商，在MODEL 3上使用24个SiC MOSFET模块（意法和英飞凌产品），代替IGBT作为主驱逆变器的核心部件，器件体积缩小到原来的1/10，同时使逆变器效率从Model S的82%提升到90%。

• 5G射频器件

微波射频是5G下一步的演进方向，GaAs制造的射频器件（PA功率放大器），已经满足不了5G通讯高频、高速、高功率的要求。

目前3G/4G基站用功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。LDMOS技术在高频应用领域存在局限性，LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少，不适用于5G工作的3.5GHz的频率及以上毫米波频段。

以SiC为衬底的GaN射频器件同时具备了SiC的高导热性能和GaN在高频段下大功率射频输出的优势，突破了GaAs和Si基LDMOS器件的固有缺陷，能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，SiC基GaN射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。