【空调报pfc是什么意思】第三代半导体材料——碳化硅

半导体产业是现代电子信息产业的基础，是支撑国民经济高质量发展的重要行业。第三代半导体禁止SiC、GAN、ZnO、金刚石(C)、AlN等宽波段(EG & gt2.3EV)是指具有特性的新兴半导体材料。碳化硅是目前最成熟的第三代半导体材料。

01碳化硅晶体结构

碳化硅(SiC)由碳(C)原子和硅(Si)原子组成，密度为3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕见，主要通过人工合成来实现。晶体结构具有同质多型的特点，半导体领域最常见的是立方闪锌矿结构的3C-SiC和六边形纤维锌结构的4H-SiC和6H-SiC。

02碳化硅基本特性

碳化硅硬度为20至Moss 9.2-9.3，是最坚硬的物质之一，可用于切割红宝石。

导热系数是金属铜Si的3倍，GaAs的8-10倍，热稳定性高，在常压下无法熔化。

碳化硅具有宽禁带、内格的特点，其禁带宽度是Si的3倍，破坏电场是Si的10倍。

4H-SiC和6H-SiC的材质参数

03碳化硅材料的开发

1824年，当时的瑞典科学家Berzelius在合成金刚石实验中意外地发现了一种叫做碳化硅的物质。但是碳化硅在自然界的库存很少，因此没有引起足够的关注。

1885年，另一位化学家亚采森在石英砂和碳的混合加热过程中，在高温下生成了SiC晶体，这是人类历史上第一次制备纯碳化硅。

1959年，一位荷兰科学家提出了通过升华生长团结井的方法，之后在1978年被俄罗斯科学家改良和优化。

1979年发明了以碳化硅为主要材料的蓝色发光二极管。

到目前为止，在后续的研发和应用过程中，碳化硅以多种形式和应用方式在电子信息存储、传输、数据通信等相关行业发挥了巨大作用，凭借稳定的化学特性和优秀的半导体材料特性，在半导体材料领域取得了长足的进步。

04碳化硅半导体的优点

碳化硅晶体材料的应用优势

05碳化硅半导体产业链

碳化硅半导体产业链主要包括“碳化硅高纯粉单晶衬外延板电力部件模块包装终端应用”等。

5.1碳化硅高纯粉末

碳化硅高纯粉末是使用PVT方法生长碳化硅单晶的原料，产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量和电学特性。

碳化硅粉末有多种合成方法，主要有固相方法、液相法、气相法三种。其中，固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法、机械粉碎法等。液相法包括溶胶-凝胶法和高分子热分解法。气相法包括化学气相沉积法、等离子体魔法、激光制导法等。

5.2单晶基板

单晶基板是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基板。碳化硅单晶基板生产的关键阶段是单晶的生长，也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的部分。目前，SiC单晶生长方法有物理气相转移法(PVT法)、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HT-CVD法)等。

碳化硅单晶生长方法比较表

5.3外延片

碳化硅外延片(碳化硅基板)上生长有一定要求的与基板晶体方向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。在实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都是在外延层制造的，硅硅芯片本身只用作衬底，包括GaN外延层的衬底。(莎士比亚，硅，硅，硅，硅，硅，硅，硅，硅，硅)

目前碳化硅单晶基板的SiC薄膜制造主要有化学气相沉积法(CVD)、液相法(LPE)、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。其中，CVD方法是制备高质量碳化硅晶体薄膜材料和零件的主要方法。

5.4电源设备

采用碳

按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样，均采用微电子工艺加工而成。

从碳化硅晶体材料来看，4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用最广，其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件，而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件。

5.5模块封装

模块封装可以优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性，可灵活地将功率器件与不同的应用方案结合。

目前，量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二极管的常用封装类型以TO220为主，碳化硅MOSFET的常用封装类型以TO247-3为主，少数采用TO247-4、D2PAK等新型封装方式。

5.6终端应用

碳化硅器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点。当前主要应用领域：各类电源及服务器，光伏逆变器，风电逆变器，新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩，变频空调，轨道交通，军工等。

06 碳化硅宽禁带半导体目前存在问题

① 大尺寸SiC单晶衬底制备技术仍不成熟。

目前国际上已经开发出了8英寸SiC单晶样品，单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC单晶衬底加工技术；p型衬底技术的研发较为滞后。

② n型SiC外延生长技术有待进一步提高。

③ SiC功率器件的市场优势尚未完全形成，尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。

国际SiC器件领域：SiC功率器件向大容量方向发展受限制；SiC器件工艺技术水平比较低；缺乏统一的测试评价标准。

中国SiC功率器件领域存在以下3个方面差距：

（1）在SiCMOSFET器件方面的研发进展缓慢，只有少数单位具备独立的研发能力，产业化水平不容乐观。

（2）SiC芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断，特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等，国内大规模建立SiC工艺线所采用的关键设备基本需要进口。

（3）SiC器件高端检测设备被国外所垄断。

④ 目前SiC功率模块存在的主要问题：

（1）采用多芯片并联的SiC功率模块，会产生较严重的电磁干扰和额外损耗，无法发挥SiC器件的优良性能；SiC功率模块杂散参数较大，可靠性不高。

（2）SiC功率高温封装技术发展滞后。

⑤ SiC功率器件的驱动技术尚不成熟。

⑥ SiC器件的应用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只适合于对精度要求较低的常规工业场合。

07 SiC器件在各行业中的应用及优势

电源/大型服务器：用于电源及功率因数校正器内部，减积减重、提高效率、降低损耗。

光伏：用于光伏逆变器中，光伏发电产生的电流为直流电，需要通过逆变器转换为交流电以实现并网。采用SiC功率器件可以减积减重；提高逆变转化效率2%左右，综合转换效率达到98%；降低损耗，提高光伏发电站经济效益；SiC材料特性，降低故障率。

风电：用于风电整流器、逆变器、变压器，风力发电产生的交流电易受风力影响使得电压、电流不稳定，先要经过整流为直流电后再逆变成交流电实现并网，提高效率、降低损耗，同时成本和质量分别减少50%和25%。

新能源汽车车载充电机（OBC）：减积减重、提高效率、降低损耗。

新能源汽车电机驱动系统：利用SiC功率模块体积比硅基模块缩小1/3~2/3，减积减重；电力损耗减少47%，开关损耗85%，提升电力使用效率；开关频率可达硅基IGBT10倍以上，提高开关频率将显著减小电感器、电容器等周边部件的体积和成本。减积减重；发热量也只有硅器件的1/2，有非常优异的高温稳定性，散热处理更容易，散热体积减小，可使得车辆冷却系统的体积减少60%，甚至消除了二次液体的冷却系统，减积减重；可实现逆变器与马达一体化，减积减重。可综合提高新能源汽车5%~10%左右的续航里程。

新能源汽车直流充电桩：减积减重；提高充电效率至少1%，达到96%以上的转化效率；由于SiC功率器件对温度依赖性较低，提高夏季高温时段电能转化效率；降低电能损耗，提升大型充电站的经济效益；充电桩系统成本与硅基基本持平，性价比较高。

空调：用于变频空调前端的功率因数校正（PFC）电源内部，体积和质量大幅减少1/2以上，功耗降低15%，综合成本降低10%。

轨道交通：采用SiC逆变器，可使车辆系统电力损耗降低30%以上，零部件体积及质量减少40%，效率及速度提升。

电磁感应加热：减积减重、提高效率、降低损耗。

军工领域：各种车载、机载、船载、弹载等电源装置，减积减重、提高效率、降低损耗。