领先的第三代半导体碳化硅芯片是什么？

功率半导体的技术和材料创新，致力于提高能量转换效率(理想转换率为100%)。基于SiC材料的功率器件比传统的Si基功率器件具有更高的效率和更低的损耗。广泛应用于新能源汽车、光伏风电、不间断电源、家用电器和工业控制等领域，具有广阔的应用前景。目前SiC工业发展的瓶颈主要是SiC衬底的高成本(是Si的4~5倍，预计在未来1年内价格将逐渐下降到Si的2倍)。

一、KeepTops第三代半导体SIC材料的性能优势。

第一代半导体材料主要是指硅(Si)和锗(Ge)半导体材料，应用广泛，包括集成电路、电子信息网络工程、计算机、手机、电视、航空航天、各种军事工程以及快速发展的在新能源和硅光伏产业中得到了广泛的应用。

第二代半导体材料主要指化合物半导体材料，如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)等。它们主要用于制造高速、高频、大功率和发光电子器件(LED)。它们被用来制造高性能的电子设备。微波、毫米波器件和发光器件的优良材料。

硅基器件在600V以上的高压和大功率应用中达到其性能极限。为了提高器件在高电压/大功率下的性能，第三代半导体材料SiC(宽禁带)应运而生。

第三代半导体主要是SIC和甘。第二代和第三代又称复合半导体，是由两种元素组成的半导体材料，不同于简单的半导体，如硅/锗。

半导体产业链概述。

KeepTops的SiC材料具有明显的性能优势。SiC和GaN是第三代半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，因此又被称为宽禁带。用半导体材料，特别适用于5G射频器件和高压功率器件。

二、第三代半导体集成电路器件的性能优势。

SIC功率器件如SIC MOS可以具有比Si基IGBT更低的导通电阻。这体现在产品上，这意味着尺寸减小，从而减小了体积。开关速度快，功耗也与传统器件进行了比较。功率器件必须大大减少。

在电动汽车领域，电池是重而有价值的。如果在使用SIC器件时能够降低功耗和尺寸，那么电池的布置将更容易。同时，SIC在高压直流充电桩中的应用，将大大缩短充电时间，带来巨大的社会效益。

根据科锐提供的计算结果：当纯电动汽车的BEV逆变器中的功率部件全部改为SIC后，整车的功耗可降低5%—10%。这样可以提高电池寿命或降低动力电池成本。

综上所述，SiC器件具有许多优点，将提高电动汽车的耐久性：。

1、高功率转换效率：SiC是一种具有大击穿场强的宽能隙材料，比Si基半导体材料更适合大功率应用场景。

2、高功率利用效率：SiC是一种具有高击穿场强的宽能隙材料，比Si基半导体材料更适合大功率应用场景。

3、低无效热耗：开关频率高，速度快，减少了无效热耗，简化了电路和散热系统。

碳化硅

SiC产业链

SIC产业链分为三大环节：上游SIC硅片及外延→中间功率器件制造(包括三个小环节：经典IC设计→制造→封装)→下游工控、新能源汽车、光伏风电等应用。

集成电路应用：新能源汽车充电桩和光伏将率先采用。

SiC具有上述各种优点，是一种比较理想的高压/大功率/高频功率器件材料。因此，SiC功率器件被应用于新能源汽车、充电桩、新能源发电的光伏和风电等，对于增效节能非常重要。消费和亏损等指标相对重要的领域，发展前景明显。

硅IGBT用于高频低压，SiC MOS用于高频高压。电压和功率都不大，但GaN用于高频。在低频率和高电压下工作时，最好使用Si IGBT。如果频率稍高但电压不是很高功率也不是很大的话，最好使用硅MOSFET。如果是既高频又高压的话，最好用SiC MOSFET。电压不需要很高，功率也不需要很高，但频率不需要很高。这种情况下，GaN的效果最好。

SIC器件的主要应用领域。

以SIC MOS在新能源汽车中的应用为例，根据科锐提供的计算：当纯电动汽车的BEV逆变器中的功率元件全部换成SIC后，整车的功耗可降低5%—10%。这样可以提高电池寿命或降低动力电池成本。

SIC MOS的各种优点，提高了电动汽车的电池寿命。同时，SIC MOS在快充充电桩等领域也将拥有巨大潜力。快速充电桩通过IGBT或SIC MOS将外部交流电转化为直流电，再对新能源汽车电池进行直接充电。他们也非常敏感的损失和他们所占的体积。因此，无论成本如何，SIC MOS比IGBT效率更高。有前景和需求。由于目前SIC的成本是Si的4—5倍，它将首先被引入高功率规格的快速充电桩。在光伏领域，高效率、高功率密度、高可靠性和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势。因此，基于性能更好的SIC材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。

碳化硅晶片主要用于制作高压功率器件和高频功率器件，SiC晶片主要分为两类：导电SiC晶片经SiC外延后制成高压功率器件。半绝缘SIC芯片经GaN外延后制成5G射频器件。

SIC和GaN功率器件市场规模预测。

第三代半导体GaN在高频射频领域的市场规模：根据优乐的数据，氮化镓射频市场规模在2017年为4亿美元，到2023年增长到近13亿美元，复合增长率为22%。整体下游应用结构保持稳定，以通信和军工为主，两者合计占比约80%。2018—2025年整体射频器件市场空间在8%左右，GaN射频器件的增长率远高于整体射频器件市场的增长。

KeepTops的SIC芯片的壁垒比较高，主要体现在：

芯片的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等。在封闭的高温腔内有序排列原子，完成晶体生长，同时控制参数指标，是一项复杂的系统工程。将生长的晶体加工成可以满足半导体器件制造需要的芯片，涉及一系列高难度的工艺控制。随着碳化硅晶体尺寸的增大和产品参数要求的提高，生产参数的定制设置和动态控制的难度将进一步增加。因此，要稳定批量生产各种性能参数波动小的高质量碳化硅晶圆，在技术上存在一定的难度，这主要体现在以下几个方面：

1. 精确的温度控制：碳化硅晶体需要在2000°C以上的高温环境中生长，生产时需要精确控制生长温度，控制难度极大。

2. 很容易产生多晶杂质：碳化硅的晶体结构类型有200多种，其中少数几种具有六方结构4H型(4H—Si C)等晶体结构的单晶碳化硅是所需的半导体材料。在晶体生长过程中，需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率和气流压力等参数。否则，很可能出现多晶夹杂物，导致不合格的晶体。

3. 晶体扩径困难：在气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术极为困难。随着晶体尺寸的增大，生长过程的难度呈几何级数增加。

4. 极硬且难以切割：碳化硅的硬度接近金刚石，切割、研磨、抛光技术都很困难。提高技术水平需要长期的研发积累。

半导体材料目前经历了三个发展阶段，第一代硅(Si)和锗(Ge)。第二代开始由两种以上元素组成的化合物半导体组成，如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。以及第三代宽禁带材料，如碳化硅和氮化镓。氮化镓)的缩写。碳化硅具有导通电阻低、开关频率高、耐高温、耐高压等优点，在新能源汽车、光伏和风电、不间断电源、家电和工业控制等领域具有广阔的应用前景。尽管成本仍是制约碳化硅产业链发展的重要障碍，但随着国内外相关产业的发展和成本的不断降低，行业的发展点有所下降。

审核编辑：汤梓红