关于碳化硅，把我知道的都告诉你（上）

文章来源于启哥有何妙计 ，作者陈启

图片本文系基于公开资料撰写，仅作为信息交流之用，不构成任何投资建议。

碳化硅这个赛道，大约5年前，洒家就开始关注。国内大大小心的项目几乎全部都接触过，电话会议开了不知道多少场了，产业专家也聊过一大堆，各种研报和论文也刷了不知道多少篇了。几年下来，总算是有点心得。

4年前曾经写过一篇《华为布局第三代半导体，得碳化硅者得天下》，现在来看有些内容还是过时了。所以这次我把我所有知道的碳化硅知识内容全搬上来，供大家参考，欢迎探讨。

01、宽禁带半导体材料的优点

碳化硅，氮化镓有个很拉风的名字叫宽禁带半导体材料，国内也叫第三代半导体。它特指禁带宽度超过2.2eV的材料主要是碳化硅（3.2eV）和氮化镓（3.34eV）；超过4.0eV叫超宽禁带半导体材料，国内叫第四代半导体材料，包括氮化铝（AlN），金刚石（C），氧化镓（Ga2O3）和氧化锌（ZnO），就是上上周美国搞制裁的那个，有意思的是美国只禁了氧化镓和金刚石，不提氮化铝和氧化锌，嘿嘿！说明他们这块不行，氮化铝可能还是日本和中国搞的出色些。

禁带宽度物理意义是实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本征激发所需要的最小能量，自由电子获得足够的能量后能跃迁到导带，这个能量最小值就是禁带宽度。

禁带宽度直接决定着器件的耐压和最高工作温度，因此禁带宽度大的材料更适合高温高压场景。

相比之下硅禁带宽度只有1.12eV，碳化硅有三倍于硅的禁带宽度，因此承受同样电压的器件，碳化硅器件的面积要比硅器件小的多，只有1/10，电压越高面积比越明显，或者说同样面积下，碳化硅的耐压比硅强很多。

我们可以总结以下几点优点：

1、宽禁带半导体材料的禁带宽度大，击穿电场强度高，大大增加了宽禁带器件能够承受的峰值电压，器件的输出功率可以大大提高；

2、宽禁带材料具有高导热性、高化学稳定性等优点。使功率器件能够在更恶劣的环境下工作，大大提高了系统的稳定性和可靠性;

3、宽禁带材料具有优异的抗辐射能力。在辐射环境下，宽禁带器件的辐射稳定性比硅器件高10~100倍，是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料。

4、由于宽禁带半导体器件的结温较高，它们可以在冷却条件差、热设计保证差的环境中稳定工作。

其中半绝缘型碳化硅上主要是长氮化镓外延层制造用于射频和光电器件，导电型碳化硅衬底上长同质碳化硅外延层用来做功率半导体，两者材料应用有区别。

特别是碳化硅基氮化镓，因此氮化镓衬底实在太贵了，而且碳化硅和氮化镓有非常优异的晶格匹配度超过95%，因此碳化硅上能长出高质量的氮化镓外延层，因此氮化镓外延片把碳化硅当做最好的衬底。

这就是碳化硅一材两用，得碳化硅者得天下的说法来源。

综上所述碳化硅在大功率器件制造领域，优点比硅多太多了。

从现实而言，确实硅材料的潜力基本已经被挖的差不多了，因此对材料提出了更高的诉求，于是才有碳化硅，氮化镓材料的用武之地。

碳化硅为什么会进入高速发展阶段？

人类历史上第一次发现碳化硅是在1891年，美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物，这就是碳化硅首次合成和发现。随后各国科学家经过深入研究之后，终于理清了碳化硅的优点和特性，并且发明了各种碳化硅的长晶技术，产业研究前后长达70多年。

2001年的时候英飞凌就做出了第一只碳化硅二极管，然后Cree，罗姆，ST等公司也相继进入碳化硅领域，做出了碳化硅二极管，三极管，MOSFET管等，有少量科研机构用研发过碳化硅IGBT结构，但是IGBT结构的一时半刻找不到应用场景。

以前大家都知道碳化硅很好，但是问题也很多，第一长晶技术不成熟，晶体内缺陷太多，严重影响良率和稳定性，可靠性；其次是不知道应用场景，因为碳化硅器件虽然性能强，但是太贵，找不到一个很适合的商业落点。

但是这一切都被特斯拉改变，特斯拉是业内第一个提出使用碳化硅替代硅的车企，并且大胆用到特斯拉的毛豆3上，随后其他车厂纷纷效仿，碳化硅迎来大规模上车的阶段，因此业内认为碳化硅发展元年是在2019年，特斯拉这一大胆的举动，拉开了碳化高速发展的序幕。

深入研究大家发现，碳化硅各种特性完美契合汽车应用。耐高温，耐高压，优秀的高频开关能力，过大电流的能力。最关键是使用碳化硅后，能减少周围电路元件用料，这样设计大大简化，重量和体积减少非常多。

丰田曾经在7年前展示过碳化硅的模组，相比硅方案，碳化硅方案仅为传统硅方案的体积的1/5，重量减轻35%，电力损耗从20%降低到5%，理论上能提升10%的经济性，优点还是相当明显的。

最关键的是，汽车整车价值量较高，能够覆盖碳化硅较高的成本，于是碳化硅找到了汽车这一完美的落地场景，开始加速发展。

02、碳化硅现在面临的缺点和掣肘是什么？

碳化硅优点很多，但是目前也仅仅是一个小汽车应用场景上使用，还是无法大规模替代硅功率器件，业内从技术和产业角度来理解有以下这些问题。

首先碳化硅这种材料，在自然界是没有的，必须人工合成，结果必然是成本远远高于可以自然开采的材料，而且碳化硅升华熔点约2700度，且没有液态，只有固态和气态，因此注定不能用类似拉单晶的切克劳斯基法（CZ法）制备，因此第一步晶体生长技术卡住了第一步也是最关键的一步，导致原材料价格过于昂贵。

因此碳化硅6英寸衬底高达1000美金，而6英寸硅片为23美金（150元），两者实在差太多了。

缺乏高效长晶技术导致衬底片成本过于高昂，第二器件工艺还不是很完善，同时专用设备也不是很完善，又贵又少，导致FAB厂产能还没有完全扩出来，总之就是量太小，衬底价格高，工艺不成熟，导致碳化硅器件太贵，制约了大规模应用，只能在小众高端领域使用。

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