介绍
碳化硅 (SiC) 半导体在半导体行业中的地位日益突出。过去，半导体主要以硅为基材。然而，自从碳化硅 (SiC) 诞生以来，半导体似乎变得更加高效、耐用且高效。
本文很好地解释了碳化硅是什么以及为什么它最近成为半导体行业的主要元素。
什么是碳化硅（SiC）
碳化硅 (SiC) 是一种陶瓷材料，主要用于制造制造业中的加热元件。这种半导体材料的商品名是碳化硅 (Carborundum)。一些制造元素 陶瓷材料 用于生产包括坩埚、燃烧器喷嘴和滑动轴承。
SiC 制成的其他元件包括耐磨部件、密封环、热交换器和烧结助剂。那么，要回答这个大问题：“为什么最近在半导体中采用 SiC？” 这是因为碳化硅半导体具有更高的电子迁移率和更高的热导率，同时还能确保更低的功率损耗。
碳化硅掺杂
将 SiC 与其他宽带隙半导体材料进行比较，可以发现 SiC 能够处理更高浓度的宽掺杂剂。您可能有兴趣了解，通过离子注入或原位掺杂，实现这一目标的可能性很高。
在大多数情况下，SiC 的掺杂采用施主型杂质，例如磷和氮。此外，为了提高导电性，还常用镓、硼和铝等受主型杂质。在 SiC 晶格中，氮取代碳，而硅则被硼、铝和磷取代。
碳化硅掺杂氮后，会形成 n 型半导体。而掺杂硼、铝和磷则形成 p 型半导体。这种半导体材料的晶格参数往往会根据掺杂密度和掺杂剂而变化。
导致其晶格参数变化的另一个因素是允许晶体形成的温度。当碳化硅掺杂氮时，会观察到晶格收缩。相反，当掺杂铝时，通常会出现晶格膨胀的情况。
掺杂导致晶格失配而产生的晶格应力是一个关键因素，在器件制造过程中，尤其是在异质结构形成阶段，晶格应力尤为重要。
碳化硅（SiC）的特性
碳化硅是目前能找到的最硬、最轻的陶瓷材料。它是由硅和碳结合而成的化合物，耐酸碱。此外，碳化硅还具有多种化学、机械和热性能，使其成为理想的半导体材料。
这些特性包括本征体二极管（MOSFET器件）、高能效、低开关和功率损耗以及低热膨胀。其他特性包括出色的抗热冲击性以及可在200℃左右工作的高工作温度和频率。
此外，它还具有出色的热管理性能，可降低冷却需求。所有这些特性使得碳化硅二极管和晶体管能够高效运行，而不会降低其有效性和可靠性。
半导体中硅与碳化硅的比较
碳化硅半导体相对于硅半导体的一个优势在于其击穿电场强度。碳化硅半导体的击穿电场强度是硅半导体的10倍。因此，使用碳化硅的半导体可以配置大功率器件的极高电压。
SiC半导体具有更薄的漂移层和更高的杂质浓度。这些特性使其能够承受600V至1000V以上的电压。此外，SiC半导体的单位面积导通电阻极低。这种低导通电阻也使其具有更高的耐压能力。
此外，碳化硅半导体单位面积的漂移层电阻可降低300倍。这是与硅半导体在相同电压水平下相比的结果。通常，硅半导体必须由少数载流子支持，例如IGBT，以最大限度地减少导通电阻的增加。
然而，当这些绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 用作硅半导体的载体器件时，开关损耗会增加，从而产生更多热量，并且高频操作会受到限制。
另一方面，SiC半导体采用多数载流子器件（MOSFET和肖特基势垒二极管）来承受高电压。它利用较低的导通电阻，在承受高电压的同时，便于高速器件的构建和高速运行。
碳化硅半导体还具有更宽的带隙（是硅半导体的3倍），从而使功率器件能够在更高的温度下运行，从而大大扩展了其应用范围。
SiC半导体的用途
您可以使用碳化硅半导体为高效高功率应用中使用的电源模块供电。碳化硅半导体（例如场效应晶体管/场效应晶体管和肖特基二极管）是大多数电源设备的组件。这些设备包括电池充电器、转换器、电机控制系统和逆变器。
硅基半导体的耐压极限为 900V。然而，SiC 半导体并非如此。您想了解它们有何不同吗？
碳化硅半导体可承受高达10kV的电压。此外，低开关损耗支持高工作频率，从而实现更高的效率。
在逆变器和转换器中应用碳化硅半导体，可将系统损耗降低约50%。此外，它们还能将系统尺寸缩小300%，并将系统总成本降低20%。这种降低系统整体尺寸的能力凸显了碳化硅半导体在空间敏感型应用中的实用性。
当前碳化硅市场趋势
SiC器件的制造工艺正在取得显著进步。SiC衬底的质量和外延工艺的进步，促进了碳化硅的应用，这一点显而易见。研究人员正在积极努力，以纠正某些SiC衬底缺陷，包括微管和污点。
其他需要纠正的衬底缺陷包括晶体堆垛层错、表面颗粒和划痕，这些缺陷会降低SiC器件的性能。即使使用更大的SiC晶圆，也需要通过努力保持一致的衬底质量来抑制这些缺陷密度的增加。
然而，这些进步的实施将提高SiC半导体以及其他SiC器件的质量、可靠性和成本效益。从而为SiC市场创造诸多增长机会。SiC器件和技术的进一步发展包括转向制造更大尺寸的晶圆。
此外，开发更大的晶圆意味着 SiC 器件在高 电力电子 和应用。这也有可能进一步增加 EV/HEV 动力系统中对 SiC MOSFET 的需求。
碳化硅的应用
如果您正在考虑这种陶瓷材料的应用领域，那就不用再犹豫了。这种材料的硬度使其应用范围十分广泛。除了半导体之外，碳化硅还应用于电动汽车、电子和光子学、航空航天和军事领域。
您是否知道碳化硅组件也适用于传统领域？这包括磨料、切削刀具和耐火材料等等。您还会发现，碳化硅作为……的组成部分发挥着重要作用。 汽车零部件 - 刹车和离合器。
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您或许会感兴趣，SiC 还用于制造火箭喷嘴。在火箭推进过程中，火箭喷嘴通常会承受高温。如果材料无法承受高温，整个过程就会失败。
它们还用于提高可再生能源系统的能源效率。您还应该知道，基于 SiC 的器件可用于高功率射频应用。
科技行业也即将迎来许多进步，尤其是5G技术的发展。为了使5G网络无缝运行，需要在高频下工作的高功率射频应用。
因此，随着 5G 技术应用的扩大，您必然会注意到对碳化硅的需求增加。
碳化硅市场价值
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常见问题 (FAQ)
SiC 在高频下的性能能否超越 IGBT？
是的。SiC 在高频下的性能优于绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。过去，IGBT 被用作硅半导体的次载流子，以抑制导通电阻的上升。然而，研究人员发现碳化硅半导体本身就具有低导通电阻的特性，于是转向了 SiC。
为什么 SiC 可以承受高电压？
碳化硅半导体能够承受高压的原因在于其电场击穿强度。与硅半导体的电场击穿强度相比，SiC 器件的击穿强度高出 10 倍。因此，SiC 半导体能够承受更高的电压，范围从 600V 到 1000V 以上。
SiC 反向恢复时间与 Si 相比如何？
SiC MOSFET 体二极管具有极快的反向恢复时间 (trr)，其值可以忽略不计。与 Si MOSFET 相比，其能量损耗 (Err) 也显著降低。
结论
SiC 半导体正在迅速成为半导体行业的颠覆者，您越早顺应这一趋势，就能越快看到其优势。除了众多其他优势外，SiC 比硅半导体更耐高温，使其成为一种更可靠的材料。