碳化硅半导体的市场应用及预测,碳化硅的应用领域是什么

碳化硅半导体的市场应用及预测

碳化硅有哪些应用领域？碳化硅主要有四个应用领域，即:功能陶瓷、高级耐火材料、磨料和冶金原料。碳化硅粗料已经可以大量供应，不能算作高科技产品，而应用技术含量极高的纳米碳化硅粉，不能在短时间内形成规模经济。(1)作为磨料，可用作砂轮、油石、磨头和砂等磨具。

请高手介绍一下碳化硅在半导体行业内的应用，以及...

碳化硅单晶可以用来制造晶体管(二极管和三极管) 由于碳化硅的禁带很宽，由碳化硅制成的器件可以承受高电压和高温，是高功率器件的良好材料。 缺点是其单晶难以制造，器件技术不成熟，器件中的欧姆接触难以做好(因为碳化硅是宽带隙半导体，主要有四个应用领域，即:功能陶瓷、高级耐火材料、磨料和冶金原料 1.研磨工具主要用于砂轮、砂纸、砂带、油石、研磨块、磨头、研磨膏、单晶硅、光伏产品中的多晶硅、电子工业中的压电晶体等的研磨和抛光。 2.化学工业可以用来炼钢。什么是碳化硅？碳化硅是由硅和碳之间的共价键形成的非金属碳化物。它的硬度仅次于金刚石和碳化硼。 化学式是SiC 无色晶体，氧化或含有杂质时外观为蓝黑色。 具有金刚石结构的碳化硅变体通常被称为碳化硅。 硬度接近金刚石，热稳定性好。对于氢氟酸水溶液和浓硫酸，与相同功率等级的硅场效应晶体管相比，碳化硅场效应晶体管的导通电阻和开关损耗大大降低，适合较高的工作频率。此外，由于其高温工作特性，高温稳定性大大提高。

碳化硅的应用领域是什么

碳化硅有哪些应用领域？碳化硅主要有四个应用领域，即:功能陶瓷、高级耐火材料、磨料和冶金原料。碳化硅粗料已经可以大量供应，不能算作高科技产品，而应用技术含量极高的纳米碳化硅粉，不能在短时间内形成规模经济。(1)作为磨料，可用作砂轮、油石、磨头和砂等磨具。

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碳化硅半导体的市场应用及预测范文

摘要:随着新能源产业的快速发展，宽带隙半导体越来越受到人们的关注。其中，碳化硅半导体已广泛应用于许多工业领域。这里介绍宽带隙半导体和碳化硅半导体功率器件的材料特性。此外，还介绍了碳化硅功率器件的封装技术。然后，分析了碳化硅功率器件的应用领域。最后，展望了碳化硅半导体产业未来的发展趋势。

:宽带隙半导体；碳化硅；动力装置；

摘要:随着新能源产业的快速发展，宽带隙(WBG)半导体受到越来越多的关注，其中碳化硅半导体在许多工业应用中得到了广泛的应用。综述了WBG半导体和功率器件家族硅碳半导体的材料特性。此外，还介绍了硅碳功率器件的封装技术。此外，还分析了硅碳功率器件的主要应用。最后，概述了硅碳技术的发展趋势。

关键词:宽带隙(WBG)半导体；碳化硅；动力装置；

1宽带隙半导体

1.1国际和国内发展

1945年第二次世界大战结束时，贝尔实验室主席巴克利(Barclay)决定成立一个固态物理小组，以满足房间从战时向和平时期过渡的需要。肖克利负责半导体物理小组，其中包括巴丁、布莱顿、吉布尼、摩尔和其他人。根据他们在20世纪30年代中期以后的经验和后来的考虑，他们从成立之初就专注于半导体材料硅和锗的研究。在接下来的半个世纪里，以硅半导体为主的分立器件和集成电路得到了极大的发展，并广泛应用于消费电子、工业控制、汽车电子、移动通信、航空航天和军事工业等地方。据统计，2014年至2017年，中国集成电路进口年均超过2000亿美元，超过石油(数据来自海关总署网站)。2014年9月，中国国家集成电路产业投资基金(以下简称大基金)成立，首次以市场化投资的形式推动产业发展。截至2017年11月底，大型基金实际贡献约794亿元，成为集成电路快速投资的重要资金来源，促进上下游协调发展。

进入21世纪以来，提高能源效率和降低能源消耗已经成为世界范围内一个非常关键的问题。硅半导体在电力电子中的应用已经逐渐接近硅材料的理论极限[1]。近年来，以碳化硅(Si C)和氮化镓(Ga N)为代表的宽带隙半导体(WBG半导体)受到越来越多的关注，其中碳化硅半导体已经开始广泛应用于许多工业领域。据吉邦科技预测，国家大基金二期将重点投资三大领域:存储、碳化硅(Si C)、氮化镓(Ga N)等复合半导体、基于人工智能和物联网的集成电路设计。以碳化硅半导体为主要代表的宽带隙半导体的春天即将来临。

1.2主要半导体材料的性能比较

以碳化硅半导体为主要代表的宽带隙半导体材料与其他常用半导体材料性能的异同。碳化硅由碳原子和硅原子组成。其晶体结构具有同质多型的特点。半导体领域最常见的类型是立方闪锌矿结构的3C硅碳和六方纤锌矿结构的4H硅碳和6H硅碳。同时，单晶硅(Si C)具有许多优于单晶硅(Si)的物理性能，如表1所示，在高禁带宽度、高击穿电场和高热导率方面优于硅基半导体材料。目前，常用的碳化硅外延晶片是4H-硅碳晶体结构。

1.3宽带隙半导体的比较

宽带隙半导体(WBG)在中国也被称为第三代半导体，主要对应以硅半导体为代表的第一代半导体和以砷化镓(Ga As)半导体为代表的第二代半导体。目前，碳化硅半导体功率器件已经广泛应用于开关电源(SMPS)行业，碳化硅基氮化镓射频器件也将广泛应用于即将到来的5G射频功率放大器。然而，硅上氮化镓由于其潜在的低成本，有望在功率器件领域取得突破。

约乐发展CEO埃洛伊表示，[3]，目前，世界上大多数系统制造商已经扩大了对碳化硅半导体的投资，而很少有人愿意在氮化镓半导体上投资过多，原因如下。(1)碳化硅的优点是在大规模生产方面比氮化镓更成熟，性能更好。(2)氮化镓在硅上的优点是理论上成本比碳化硅低。(3)如果要改变这种情况，氮化镓功率器件需要在质量上更可靠，并提供更便宜的系统解决方案。

2碳化硅半导体芯片产品

2.1碳化硅半导体功率器件

碳化硅半导体芯片产品主要包括碳化硅半导体功率器件和与之匹配的碳化硅场效应晶体管驱动芯片。其中，碳化硅半导体功率器件的主要产品方向目前包括两大类。

(1)一种是二极管型，主要包括结势垒肖特基二极管(JBS)和多磺酸粘多糖二极管(多磺酸粘多糖，合并πN肖特基)。π二极管和肖特基二极管(SBD)是两种最常用的功率整流器。单极肖特基二极管(SBD)比双极π二极管具有更快的开关速度。然而，肖特基二极管(SBD)由于其反向漏电流大、击穿电压低，不适合高压应用，所以π-N二极管是高压系统的首选。在10 000伏以上的超高压领域，传统的π-N二极管将有更多的优势。

结势垒肖特基二极管(JBS)结合了肖特基势垒二极管(SBD)的快速开关特性和π-N二极管的高耐压和低漏电流特性。未来，它将在高频电源、空间电源系统、核能探测和通信系统等地方有广阔的应用前景。与JBS相比，多磺酸粘多糖二极管引入了大电流条件下的双极导通特性，正向导通电流密度更高，因而具有更好的抗浪涌能力。

(2)另一种类型是场效应晶体管，包括结型场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等。

结型场效应晶体管(JFET)是在同一个氮型半导体上制作两个高掺杂的磷区，并将它们连接在一起。引出的电极称为栅极(grid G)，N型半导体的两端分别引出两个电极，分别称为漏极D和源极S。结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件，是单极场效应晶体管中最简单的。它可以分为氮通道和磷通道。

金属氧化物半导体场效应晶体管是一种可以广泛应用于模拟电路和数字电路的场效应晶体管。根据工作载流子的不同极性，MOSFET可分为“n型”和“p型”两种类型，通常也称为n-MOSFET和p-MOSFET。目前，商用碳化硅MOSFET指n型MOSFET。

2.2国外主流制造商的发展过程

根据IHS在亚太经合组织2016年会议上提供的“咬鱼地图”报告，我们可以清晰地看到国外主流制造商的发展过程(图1)。2001年，德国英飞凌公司率先实现碳化硅二极管产品的产业化，紧随其后的是克里和圣微电子等制造商。在日本，罗门、富士电气和瑞萨也在开发肖特基势垒二极管(SBD)和结势垒肖特基二极管(JBS)。目前，碳化硅二极管产品系列已经包括600伏~1 700伏电压等级和50安电流等级的产品。

2012年9月，美国科里公司(Corey Company)宣布的6英寸碳化硅晶片大规模生产，是碳化硅走向大规模生产，从而真正走向市场导向的转折点。早期的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管始于平面型，包括日本的第一代和第二代罗姆人以及美国的前三代科里人。目前，德国英飞凌公司正在推广沟槽碳化硅场效应晶体管。

在过去的五年里，国内制造商也开始进入碳化硅功率器件的研究领域，包括泰科天润、世纪金光和基础半导体。据报道，碳化硅二极管已初步进入大规模生产，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管也在研究中。

2.3第一个国产6英寸碳化硅场效应晶体管晶片

2018年5月，首个国产6英寸碳化硅(Si C)场效应晶体管晶片诞生于临港科技城园区企业上海展新电子科技有限公司(图2)。上海展鑫电子是一家由海归博士领导的无晶圆半导体初创公司。拥有一支高素质的核心团队，在工艺、设备、电路设计、系统应用、市场推广和国内外业务管理方面经验丰富。公司致力于开发以碳化硅功率器件为核心的高性价比功率芯片和模块产品，为电源和电驱动系统的小型化、高效率和轻量化提供完整的半导体解决方案。

上海展信电子于2017年10月初完成了工艺流程、设备和布局设计，并于10月至12月完成了初步工艺测试。此外，从2017年12月开始，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管正式流播，并在不到5个月的时间内，在成熟的大规模生产6英寸生产线上成功完成制造过程。晶圆级测试结果表明，各种电气参数符合预期，为工艺和器件设计的进一步优化奠定了坚实的基础。

2.4碳化硅场效应晶体管栅极驱动器

场效应晶体管栅极驱动芯片主要是为了使场效应晶体管表现出更好的性能，即使是从硅半导体时代开始。

目前的现状是:(1)市场上专用碳化硅场效应晶体管栅极驱动芯片很少。(2)目前一些使用碳化硅场效应晶体管的应用方案是使用具有外围辅助电路的硅场效应晶体管栅极驱动芯片来实现相关功能，导致应用方案相对复杂。(3)仍有一些使用碳化硅场效应晶体管的应用方案，仍然使用硅IGBT栅极驱动芯片。由于保护响应时间长，碳化硅场效应晶体管不能得到有效保护。

3碳化硅半导体封装类型

3.1常见包装类型

尽管碳化硅半导体材料具有硅半导体材料无法比拟的优势，但在当前大规模生产阶段，硅功率器件仍基本上用于相关功率器件的封装类型中。目前，碳化硅二极管常用的封装类型是TO220，碳化硅场效应晶体管常用的封装类型是TO247-3。

3.2新包装类型

(1) TO247-4 .新的TO247-4 4引脚封装为驱动控制提供了专用的直接源引脚，而传统封装共享一个驱动和电源引脚。附加引脚可以提高开关能效，降低开关损耗，支持更高的开关频率，并进一步减小电源尺寸。TO247-4封装集成了内部结构，以实现开尔文连接到电源。该连接绕过主电源连接的公共源电感，可消除高达60%的开关损耗。设计者可以使用更高的开关频率和更小的滤波器元件。

据说意法半导体引进了第一个采用新封装技术的MDmesh V超结金属氧化物半导体场效应晶体管。这种封装对碳化硅场效应晶体管也有很好的参考意义。图3是该产品的包装轮廓和通用电气模型。

(2) D2PAK包装。2018年6月，英飞凌进一步加强了薄晶圆技术STRUCTOP & # 8482；5IGBT产品系列。新产品系列可提供高达40 A 650V的IGBT，采用表面贴装TO-263-3(也称为D2PAK)封装，二极管组合的额定电流与IGBT相同。这种表面贴装D2PAK封装可以实现最大功率密度。美国碳化硅制造商凯瑞公司也开始研究这种新封装在碳化硅功率器件中的应用。

3.3碳化硅模块封装

与硅IGBT功率模块相比，所有碳化硅功率模块都可以高速切换，并且可以大大降低切换损耗。为了优化使用中的碳化硅功率器件的性能和可靠性，有效地将功率器件与不同的应用方案相结合，模块封装的研究早已提上日程。

然而，功率器件的封装技术已经成为每个人面前的瓶颈[4]。主要问题包括由高开关速度、高工作温度和高电场强度引起的高dv/dt和di/dt。后续将深入研究相关问题。

目前，常用的全碳化硅功率模块是碳化硅场效应晶体管和碳化硅二极管的组合，驱动芯片通常放置在功率模块以外的驱动板上。驱动芯片远离碳化硅场效应晶体管，不能充分发挥碳化硅场效应晶体管的最佳性能。因此，从业者也在研究将碳化硅场效应晶体管驱动芯片集成到功率模块中，以形成智能功率模块，即IPM。

4碳化硅半导体市场应用及预测

众所周知，碳化硅半导体功率器件可以应用于新能源领域。2018年，第十三届CPPCC全国委员会第一次会议分组讨论了政府工作报告。中国人民政治协商会议全国委员会委员、清华大学汽车安全与节能国家重点实验室主任、中国科学院院士欧阳明高表示，中国新能源汽车近年来发展迅速，在政府工作报告中多次被提及。未来的发展方向是用新能源汽车取代传统汽车。

“我们用于新能源汽车的电力可能仍然是煤。未来，光伏发电将占据更大的比重，甚至所有光伏发电都将被使用。”欧阳明·高说光伏发电需要新能源汽车来储存能量，新能源汽车也需要完全可再生能源。两者的结合将在下一步形成一个新的增长点。在欧阳院士提到的“光伏逆变器+储能器件+新能源汽车”三大应用中，碳化硅(Si C)场效应晶体管功率器件是不可或缺的重要半导体器件。

碳化硅半导体目前的主要应用。碳化硅功率器件与电力电子应用的紧密结合将是推动碳化硅半导体未来广泛应用的重要条件。包括国际国内相关学术机构，如IEEE PELS和中国供电协会，电力模块公司和终端设备公司，包括光伏逆变器和充电桩等。以及电力设备供应商，如罗马、科里和英飞凌等。，在过去的两三年中，已经密集地组织了宽带隙(碳化硅)半导体工业交换会议。

(1)光伏逆变器。国内知名光伏逆变器公司合肥阳光电源最近在一次论坛上介绍，该公司已装运了15万多台使用碳化硅功率器件的光伏器件，其中已使用150多万台碳化硅功率器件。同时，明确指出碳化硅功率器件的使用有利于降低功耗，显著提高开关频率，获得更高的效率和功率密度，并有效降低系统成本和运行维护成本[5】。

(2)充电桩。这主要是指大功率DC充电桩，目前中国的功率水平通常是60 k W。国际知名电源模块公司德尔塔电源(Delta Power Supply)，最近在论坛上介绍了电动汽车的充电场景，并表示基于英飞凌碳化硅模块easy 1B和2B，提出了多种应用拓扑模型，成功为欧盟[6]的350 k W大功率充电站提供了全面的解决方案。

(3)新能源汽车。据中国汽车工业协会统计，2017年新能源汽车累计生产和销售分别为79.4万辆和77.7万辆。

车载充电器(OBC)。这主要指输入电压为交流220伏的低功率交流充电器。目前，国内领先的比亚迪和新锐科技已经使用碳化硅功率器件，并取得了良好的产品性能和市场影响力。由于2017年相关公司的大规模增加，世界著名的碳化硅功率器件公司严重供不应求。从2018年开始，罗马、英飞凌和三菱等公司开始扩大功率半导体生产线的生产能力。

电机驱动。汽车工业正经历着从基于内燃机的传统燃料汽车到基于电动机的新能源汽车的转变。自从著名的国际汽车公司日本丰田公司宣布与日本电气设备有限公司(DENSO)合作开发出世界上第一台全碳化硅功率器件的电机驱动控制器以来，国内外相关企业进行了深入研究。美国知名公司特斯拉(Tesla)宣布在其3型模型中使用碳化硅功率器件电机驱动控制器。中国科学院电气工程研究所最近也在一个论坛上发表了相关的研究进展，其中包括电磁干扰研究[7]。

(4)智能电网(Smart Grid):在高压电网的传输过程中，通常使用3 k伏以上的功率器件，如硅IGBT或碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管。鉴于碳化硅10k伏MOSFET的数量相对较少，美国阿肯色大学教授艾伦·曼托特(Alan Mantooth)指出，多个1200伏MOSFET串联的拓扑图应用方案可用于承受10 kV [8]的高压。

5结论

碳化硅材料工业的发展。碳化硅材料主要包括碳化硅衬底和外延晶片。目前，碳化硅衬底和外延晶片基本上掌握在美国和日本的几家主要制造商手中，碳化硅功率器件的芯片成本在很大程度上取决于碳化硅材料的成本。国内碳化硅材料在5年内将有质的突破，这是一个迫切的期望。

芯片设计理念发展中的几个问题？

(1)沟槽碳化硅场效应晶体管将成为未来的主流发展方向。

(2)碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的体二极管性能能否进一步优化，可以降低碳化硅二极管的并联使用和未来系统应用方案的总体成本。

(3)10kV以上高压碳化硅场效应晶体管或碳化硅IGBT的研究与开发

(4)碳化硅场效应晶体管驱动芯片可以根据系统应用方案进一步细化，以更好地优化碳化硅场效应晶体管的整体性能。

芯片产品的封装发展。碳化硅场效应晶体管封装类型的丰富和优化，如TO247-4、D2PAK和其他较新的芯片封装类型。模块化封装的集成与开发:芯片级(COC等)。)，2.5D/3D封装类型，更多组件从驱动板转移到模块[9]。

大功率智能功率模块IPM是否可行以及如何开发也值得研究。

系统应用程序开发。在现有的一系列基于碳化硅功率器件的新能源应用中，碳化硅半导体的优势被进一步发挥，以提高电源模块的效率并降低能耗。

结合碳化硅功率器件的使用，如何优化传统电子产品的功率模块拓扑图，减少磁性材料的使用，进一步降低功率模块的体积和整体成本。研究了碳化硅功率器件在超高压应用中的有效应用。研究碳化硅功率器件在高可靠性应用中的有效应用。

参考

[1]库珀，梅洛赫，辛格，阿加瓦尔和帕穆尔。硅碳功率MOSFETs的现状和前景[。《电子设备上的IEEE交易》，2002，49 (04) :658-664。

[2]奥兹皮涅茨，B .电力电子应用中宽带隙半导体的比较[电子束/醇]。(2016-02-16) [2018-06-12]。http://www.doc88.com/p-1327607496183.html.

[3]埃洛伊青年商会。[电力电子、微机电系统和传感器工业现状。《约尔评论》，上海，上海，2018年。

[4]B . Pasmore等.下一代电力转换系统的宽带隙封装[>，第四届IEEE分布式发电系统电力电子国际研讨会，IEEE，2013:1-5。

[5]宋行的李颖·薛。可控硅功率器件在光伏逆变器中的应用。英飞凌碳化硅发展论坛(深圳)，2018。

[6]三角洲潮人。可控硅在[大功率电动汽车充电站的应用。英飞凌硅碳发展论坛(深圳)，2018。

文旭辉。汽车高功率密度可控硅逆变器电磁干扰预测。新能源汽车用功率半导体关键技术国际论坛(北京)，2018年。

[8]艾伦·曼托特。用于中压电网的模块化多级级联H桥三相逆变器中1.2 k伏硅碳金属氧化物半导体的评估。无线掌上电脑亚洲(西安)，2018。

[9]艾伦·曼托特。国际交流电力电子技术的新趋势。无线掌上电脑亚洲(西安)，2018。