碳化硅的前世今生之01：材料由来和优势突显

第二代半导体材料是在上世纪90年代出现的，主要是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的材料，可以用来制造高速、高频、大功率和发光电子器件，这些器件广泛应用于移动通信、卫星通信、光通信、GPS导航等领域。

近年来，在一些追求功率效率的电力电子应用的推动下，以碳化硅和氮化镓（GaN）为代表的半导体技术发展迅速。与传统硅半导体材料相比，碳化硅具有独特的热特性和电特性，在功率和高频性能方面的品质因数更加优异；此外，碳化硅还适应高温和辐射环境，具有广阔的能效应用前景。

为了让大家进一步了解碳化硅材料和器件，我们编写了“碳化硅的前世今生”系列文章，将系统介绍与他还相关的材料、生长工艺、器件制造、封装、应用、产业面临的问题等等，相信会对大家有所帮助。

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碳化硅是一种碳化物，在天然环境下非常罕见。最早的发现是在46亿年前的陨石中有少量这种物质，所以它又被称为宇宙的恩赐。

1893年，法国化学家亨利•莫瓦桑首先发现了陨石中的天然碳化硅，所以又叫莫桑石。后来，人们合成了碳化硅，也就是莫桑石，其外观与天然钻石极为相似，肉眼很难分辨。在电激发下，碳化硅可发出黄色光芒。

碳化硅还是地球上第三硬化合物，是具有稳定和坚固化学结构的硅和碳的化合物，其莫氏硬度为13，仅次于硬度15的钻石和硬度14的碳化硼。

我们都见过工业上使用的砂轮等研磨和切割工具，因为人工合成的碳化硅材料（金刚砂）非常硬，广泛用于工业领域。它经历了以下的演变：

其实早在1891年，美国科学家艾奇逊就在做电熔金刚石实验时，偶然发现了一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体；它后来被发现就是碳化硅。

艾奇逊还研究出工业冶炼碳化硅的方法，也就是艾奇逊炉，一直沿用至今。在碳质材料为炉芯体的电阻炉中，通电加热石英和碳的混合物即可生成碳化硅。用电炉生产碳化硅后，人们可以大规模生产人造磨料，后来又利用碳化硅的耐热性能作为耐火材料使用。

1949年，碳化硅的研制较欧美等发达国家晚，1951年，我国的沈阳苏家屯砂轮厂研制成功第一台制造碳化硅的工业炉，结束了中国不能生产碳化硅的历史。

截至2007年，人们总共发现了118种元素，其中94种元素存在于我们生活的地球上。这些元素构成了各种物质，还有一些元素服务于人类的生活和生产的各个方面，包括构成信息时代基石的各种半导体材料。

前面提到，碳化硅可以电致发光，这是1907年亨利·约瑟夫·朗德通过碳化硅传递电流无意中发现的。他创造了第一个碳化硅发光二极管（SiC LED）。后来，人们基于这一原理开发了LED。

不过，与硅基可控硅相比，碳化硅的研究一直没有什么进展。直到上世纪90年代，对碳化硅功率半导体的研究才在实验室中获得了突破。1983年，美国北卡州立大学材料科学与工程实验室研究生在读的John Edmond、John Palmour、Eric Hunter以及实验室研究助理教授Calvin Carter等参与了由美国海军办公室资助的一个研究课题，利用碳化硅材料的微波晶体管生产工艺为军用飞机提供更高功率的电子系统。

1991年，美国科锐（Cree）公司发布了第一片商用的碳化硅衬底材料；1995年6月，科锐的研发方向转为发展氮化镓，同时也在采用碳化硅作为衬底，即GaN-on-SiC。

1998年，科锐推出了第一个工业用GaN-on-SiC射频（RF）器件；2001年，德国英飞凌（Infineon）发布了碳化硅肖特基二极管（JBS）强劲，同年科锐也发布了碳化硅肖特基二极管。

进入21世纪，2010年，日本罗姆（ROHM）首先量产碳化硅MOSFET产品。2011年科锐也开始销售碳化硅MOSFET产品。这些成果为节能电源开关建立了新的基准，有助于设计工程师开发具有极快开关速度和超低开关损耗的高压电路。2013年，科锐又大幅改进了第二代碳化硅MOSFET。

最近10年来，英飞凌、科锐、三菱电机、富士电机、罗姆等厂商相继推出了系列碳化硅器件。目前，科锐更名后的Wolfspeed、英飞凌、罗姆、意法半导体（ST）、X-Fab等龙头企业都实现了6英寸量产。

几年来，中国也出现了很多制造碳化硅衬底、晶圆和器件的制造公司。

近年来，电子设备的复杂程度不断增加，在一些应用中，硅基器件的物理极限已无法满足高压、高温、高频和低功耗要求，这给了以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体技术登场的机会。

第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性。第三代半导体材料可以实现更好的电子浓度和运动控制，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。

特别是，相比硅器件碳化硅器件可以实现更高的系统效率、更高的功率密度、更低的整体系统成本。凭借优异的特性，碳化硅器件将广泛应用于新能源汽车、光伏逆变器、数据中心、轨道交通等领域。以逆变器为例，用碳化硅模块代替硅基IGBT后，逆变器输出功率可增至硅基系统的2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度是原来的3.6倍，最终实现系统成本的整体降低。

那么，三代半导体材料的应用领域有什么不同吗？碳化硅主要适用于高压环境，而同为第三代半导体的氮化镓主要应用在中低压领域。虽然两者发展方向有所重叠，但各有各的用途。

在应用中，通常以650V作为一个界限，650V以上是碳化硅材料的应用，650V以下的消费类电子产品，使用氮化镓优势更加明显。

总之，与硅相比，碳化硅作为第三代半导体材料，其介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快，且热导率更高。因此，碳化硅在耐高压、耐高温、高频等方面具有绝对的优势，可以为电力电子应用带来极大的好处。

碳化硅材料具有三个维度的优势，使半导体行业趋之若鹜：

第一是材料性能：也就是物理性能，碳化硅材料禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气，击穿场强高。这些材料特性能够赋予碳化硅器件与众不同的性能。

第二是器件性能：与硅材料相比，碳化硅器件耐高温、耐高压、频率高、开关速度快、导通电阻低。这些器件特性都有助于实现更高效的电子电气系统设计。

第三是系统性能：用碳化硅器件设计的系统体积小、重量轻、高能效、驱动力强，有助于降低系统总成本。

实验中发现，与硅基材料相比，碳化硅在材料属性方面具有很大优势，在同样电压等级，碳化硅MOSFET晶圆的外延层厚度只需要硅的1/10，漂移区阻抗大大降低。

碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，导电能力更强。碳化硅的特征通态电阻也突破了硅的极限，应力阻抗效应小，损耗也小，有助于实现更小尺寸的产品和更高的效率。

在开关频率方面，碳化硅的电子饱和速度是硅的2至3倍，也就是一个原子外围的电子很容易达到满阶饱和，容易变成自由电子释放掉。所以，碳化硅可以实现10倍的工作频率，开关速度很快。

能够在更高频率下运行，就可以将被动元器件做得更小，在缩小50%体积的同时，将能量损耗降低80%。在更高的温度下运行则意味着冷却系统可以更加简单。

随着电压的提高，硅材料的高频性能和能量密度也在不断下降，碳化硅的优势也越来越大。半导体行业巨头在碳化硅的研发方面不断加大投入，希望把器件体积做得越来越小，能量密度越来越高。

下一篇文章将继续解读碳化硅材料为什么如此优秀，以及碳化硅的加工工艺和器件制造。敬请期待！

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