碳化硅是如何制造的？碳化硅的優勢和應用

碳化硅，也稱為SiC，是一種由純硅和純碳組成的半導體基礎材料。您可以將SiC與氮或磷摻雜以形成n型半導體，或將其與鈹，硼，鋁或鎵摻雜以形成p型半導體。雖然碳化硅存在許多品種和純度，但半導體級質量的碳化硅僅在過去幾十年中浮出水面以供使用。

碳化硅是如何制造的？

最簡單的碳化硅制造方法包括在高達2500攝氏度的高溫下熔化硅砂和碳，例如煤。較暗，更常見的碳化硅版本通常包括鐵和碳雜質，但純SiC晶體是無色的，當碳化硅在2700攝氏度升華時形成。一旦加熱，這些晶體在較低的溫度下沉積到石墨上，這個過程稱為Lely方法。

Lely法：在此過程中，花崗巖坩堝通常通過感應加熱到非常高的溫度，以升華碳化硅粉末。溫度較低的石墨棒懸浮在氣態混合物中，這固有地允許純碳化硅沉積并形成晶體。

化學氣相沉積：或者，制造商使用化學氣相沉積來生長立方碳化硅，化學氣相沉積通常用于碳基合成工藝并用于半導體工業。在這種方法中，一種特殊的氣體化學混合物進入真空環境并在沉積到基材上之前結合。

碳化硅晶圓生產的兩種方法都需要大量的能源、設備和知識才能成功。

碳化硅有什么用？碳化硅的優勢

從歷史上看，制造商在高溫環境中使用碳化硅來制造軸承、加熱機械部件、汽車制動器甚至磨刀工具等設備。在電子和半導體應用中，SiC的優勢主要在于：

120-270 W/mK的高導熱系數

熱膨脹系數低至4.0x10^-6/°C

高最大電流密度

這三個特性相結合，使SiC具有出色的導電性，特別是與SiC更受歡迎的表親硅相比。SiC的材料特性使其非常適合需要高電流、高溫和高導熱性的高功率應用。

近年來，SiC已成為半導體行業的關鍵參與者，為用于高功率、高效率應用的MOSFET、肖特基二極管和功率模塊供電。雖然比硅MOSFET更昂貴（通常僅限于900V的擊穿電壓），但SiC允許接近10kV的電壓閾值。

SiC還具有非常低的開關損耗，并且可以支持高工作頻率，這使其能夠實現目前無與倫比的效率，尤其是在工作電壓超過600伏的應用中。通過正確實施，SiC器件可以將轉換器和逆變器系統損耗降低近50%，尺寸降低300%，整體系統成本降低20%。整體系統尺寸的減小使SiC能夠在重量和空間敏感型應用中非常有用。

碳化硅應用

許多制造商正在推動在電動汽車、電動汽車充電站、太陽能系統和暖通空調等應用中使用SiC。這些以效率為導向的系統都會導致高電壓和高溫。我們看到全球大力推動在其他材料上實施SiC，以減少因較高電壓下的功率效率低下而導致的碳排放。盡管電動汽車和太陽能等尖端技術正在引領SiC的使用，但我們預計很快就會看到更多的傳統行業效仿。

由于行業對高質量、可靠性和高效率的需求，SiC在汽車行業變得很受歡迎。SiC可以滿足高壓要求。碳化硅有可能通過提高整體系統效率來增加電動汽車的行駛距離，特別是在逆變器系統中，這增加了車輛的整體節能，同時減小了電池管理系統的尺寸和重量。

高盛甚至預測，在電動汽車中使用碳化硅可以使電動汽車制造成本和每輛車擁有成本降低近2，000美元。SiC還優化了通常在kV范圍內運行的電動汽車快速充電工藝，可將整體系統損耗降低近30%，將功率密度提高30%，并將組件數量減少30%。這種效率將使快速充電站更小、更快、更具成本效益。

在太陽能行業，支持SiC的逆變器優化在效率和成本節約方面也起著重要作用。在太陽能逆變器中使用碳化硅可將系統的開關頻率提高到標準硅的兩到三倍。這種開關頻率的提高可以減少電路的磁性元件，從而節省大量空間和成本。因此，基于碳化硅的逆變器設計的尺寸和重量幾乎是硅基逆變器的一半。鼓勵太陽能制造商和工程師使用SiC而不是其他材料（如氮化鎵）的另一個因素是其強大的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太陽能系統能夠實現連續運行十多年所需的穩定壽命。

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審核編輯：湯梓紅

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