随着电子设备和逻辑板的市场进一步增长,传统硅的缺点日益凸显,为此设计师和制造商一直在寻找更好,更智能的方法来制造这些重要组件。碳化硅就是这样一个存在,由于碳化硅材料具有较大的禁带宽度以及优异的导热性能,相比传统硅技术,碳化硅技术可以兼得高频和高压这两个重要特性。而且相同规格的碳化硅芯片只有硅芯片十分之一大小,不仅如此基于碳化硅技术的系统应用中,更少的散热需求和更小的被动元器件导致整个装置的体积也大大减小。
因此碳化硅功率半导体在普通硅半导体中脱颖而出,在电子电力、光电子以及微波通讯等领域均有着广阔的应用前景。
电力行业是SiC功率半导体的重要市场之一,特别是由于其在大功率应用场合中仍然有较低的功耗。以SiC为代表的第三代半导体具有禁带宽、热导率高,击穿场强高,饱和电子漂移速率高以及化学性能稳定,硬度高和抗磨损,高键和高能量以及抗辐射等优点,可广泛用于制造高温,高频,高功率,抗辐射,大功率和高密集集成电子器件。
用SiC制造的组件包括二极管,各种晶体管类型(例如MOSFET,JFET和IGBT)和栅极截止晶闸管,通过使用这样的基本构建块,可以创建更小,更轻,效率极高的电源模块,用于将电源切换到负载或从负载切换电源以及进行转换。用SiC衬底开发的电力电子器件可用在输变电、风力发电、太阳能、混合动力汽车等电力电子领域,降低电力损失,减少发热量,高温工作,提高效率,增加可靠性。
早期用例,特斯拉已经将意法半导体的基于SiC MOSFET的功率模块集成到Model 3逆变器中。Model 3具有一个主逆变器,该逆变器需要24个电源模块,每个电源模块均基于两个碳化硅MOSFET管芯,每辆汽车总共有48个SiC MOSFET管芯。这些MOSFET由位于意大利卡塔尼亚的意法半导体晶圆厂制造。
早在2014年5月,丰田汽车宣布通过使用SiC功率半导体,将混合动力汽车的燃油效率提高10%(在日本国土交通省的JC08测试周期下),并减少了汽车的使用。与仅含Si功率半导体的当前PCU相比,功率控制单元(PCU)的尺寸缩小了80%。但由于SiC晶圆(基板)不足,丰田还未采用。
在光电子领域,SiC材料具有与GaN晶格失配小、热导率高、器件尺寸小、抗静电能力强、可靠性高等优点,是GaN系外延材料的理想衬底,由于其良好的热导率,解决了功率型GaN-LED器件的散热问题,特别适合制备大功率的半导体照明用LED,这样大大提高了出光效率,又能有效的降低能耗。
在微波通讯领域,SiC作为一种宽带隙的半导体材料,同时还具有较宽的工作频带,(0~400GHz),加之其优异的高温特性,高击穿电场,高热导率和电子饱和速率等特性,在微波通讯领域也占有一席之地。实现了通讯器件的高效能,高机动,高波段和小型化的,特别是在X波段以上的T/R组件,5G通讯基站中的应用备受关注。
专业人士指出电动汽车行业是SiC应用前景最广阔的行业,SiC技术带来的电池使用效率显著提升以及电驱动装置重量和体积的缩小正是电动汽车技术最需要的。而就目前来看工业电源行业是SiC普及和应用率较高的行业,使用碳化硅产品可以显著提升工业领域的电能利用效率。
那么碳化硅半导体有不利之处吗?就目前而言成本是将SiC技术引入更广泛的电气和电力产品中的少数明显缺点之一。SiC半导体的价格可能是普通硅IGBT的五倍。但回顾过去十年,可以清晰的看到碳化硅市场一直在快速增长,这也得益于碳化硅材料端技术的发展,材料成本的不断降低。因此各大公司都在大力拥抱SiC半导体,国内企业和投资者也在大力推动SiC产业的发展。