碳化硅(SiC)在各行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)百年歷史。如今，它作為半導(dǎo)體材料比以往任何時(shí)候都更受市場的歡迎，這主要得益于它在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。z48esmc

在本文中，我們將探討SiC為什么會突然流行，哪些化學(xué)特性支撐它成為如此好的工業(yè)應(yīng)用材料，以及有哪些應(yīng)用在推動SiC需求的增長。z48esmc

關(guān)于SiC的一些概念

SiC在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以追溯到20世紀(jì)初，但直到20世紀(jì)90年代，它作為半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，才真正開始受到業(yè)界的重視。也正是在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，SiC首次被用做肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管和MOSFET。SiC的化學(xué)特性使其特別擅長處理高頻、高功率和高溫負(fù)載。只不過，即使是到了2022年，碳化硅晶圓的生產(chǎn)仍然非常困難，這導(dǎo)致它的普及進(jìn)度十分緩慢。z48esmc

在自然界中，SiC是一種極其罕見的物質(zhì)，它主要存在于隕石的殘余物中。當(dāng)然，SiC也可以被人工合成，只是存在邊緣錯(cuò)位、三角形缺陷等問題，這阻礙了SiC半導(dǎo)體的商業(yè)化進(jìn)程。盡管SiC適用于許多潛在應(yīng)用，但目前落地的應(yīng)用還相對較少。z48esmc

SiC是寬禁帶半導(dǎo)體材料，比傳統(tǒng)硅這類半導(dǎo)體材料有更大的能量差，具備更高的熱導(dǎo)性能和電子性能，這些特性讓SiC材料成為高功率、高溫和高頻應(yīng)用的明星。事實(shí)上，相較于硅半導(dǎo)體器件，SiC器件的介電擊穿強(qiáng)度可高10倍以上、能帶隙和導(dǎo)熱系數(shù)大3倍以上。這些性能優(yōu)勢可以提高系統(tǒng)整體效率、功率密度，降低系統(tǒng)損耗。z48esmc

如前文所述，SiC半導(dǎo)體材料來應(yīng)用已為人所知，但因生產(chǎn)困難使得普及速度緩慢?，F(xiàn)在，Wolfspeed、Infineon(英飛凌)、onsemi(安森美)等企業(yè)改進(jìn)了SiC的制造工藝，這基本上讓“擔(dān)心SiC器件質(zhì)量問題”的質(zhì)疑成為過去式。z48esmc

8月16-17日，IIC 2022 國際集成電路展覽會暨研討會將在江蘇南京國際博覽中心2號館舉辦，大會不僅聚焦當(dāng)前最熱的“碳中和”話題，也將聚焦國際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用。在“2022國際‘碳中和’電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇”上，ADI、英飛凌、X FAB、京東方能源科技、納芯微、陽光電源等企業(yè)將圍繞“碳中和”話題做精彩的演講。在同期舉辦的“高效電源管理及寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用論壇”上，也將有英諾賽科、PI、是德科技等企業(yè)的精彩演講，歡迎 免費(fèi)報(bào)名 參加。z48esmc

哪些應(yīng)用在推動SiC的發(fā)展？

目前，具有SiC專業(yè)知識的半導(dǎo)體制造商，發(fā)現(xiàn)自己正處于非常有利的位置。制造工藝顯著改進(jìn)，提高了SiC的產(chǎn)量和可靠性。同時(shí)，對SiC材料性能要求更高的應(yīng)用迅速增加，SiC設(shè)備市場也正以驚人的速度增長。z48esmc

讓我們看看SiC正在哪些行業(yè)站穩(wěn)腳跟。z48esmc

·電動汽車

SiC半導(dǎo)體增長最快的市場是電動汽車及其充電系統(tǒng)。SiC是當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動的最優(yōu)選擇，不僅適用于電動汽車，也適用于電動火車。z48esmc

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通常要求體積更小、重量更輕，SiC具備高性能尺寸比、可幫助系統(tǒng)減少尺寸和降低重量，這是提高電動汽車效率的關(guān)鍵因素。z48esmc

另外，SiC也適用于車載充電系統(tǒng)應(yīng)用。眾所周知，阻礙電動汽車普及的最大障礙是充電時(shí)間過久，制造商正在尋找縮短充電時(shí)間的方法——在很多人看來這個(gè)方法就是SiC。在非車載充電解決方案中使用SiC功率器件，通過利用SiC的快速開關(guān)速度和高功率傳輸性能，電動汽車充電站運(yùn)營商把汽車充電時(shí)間縮短了2倍以上，為電動汽車消費(fèi)者提供了更好的充電性能。z48esmc

·數(shù)據(jù)中心和不間斷電源

許多企業(yè)正在考慮進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)中心在垂直領(lǐng)域的作用也越來越大。數(shù)據(jù)中心可充當(dāng)各種關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對持續(xù)地改善和優(yōu)化業(yè)務(wù)運(yùn)營至關(guān)重要，不過這也付出了相應(yīng)的代價(jià)——數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營需要消耗大量的電力。z48esmc

據(jù)國際能源署(IEA)估計(jì)，數(shù)據(jù)中心消耗了全球1%的電力，這還不包括加密貨幣挖礦所消耗的電力。這種能源消耗的重要驅(qū)動因素之一是——維持?jǐn)?shù)據(jù)中心設(shè)備溫度所消耗的電力，比如空調(diào)和風(fēng)扇系統(tǒng)需要每時(shí)每刻都運(yùn)行。z48esmc

SiC材料具有更高的熱效率，能夠在不犧牲性能的情況下運(yùn)行冷卻器。據(jù)Wolfspeed介紹，使用了SiC器件的電源具有更好的熱性能，可節(jié)省多達(dá)40%的冷卻能源成本。此外，隨著功率密度的提升，使用SiC器件能助力數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商，能在更小的空間中安裝更多的服務(wù)器設(shè)備。z48esmc

數(shù)據(jù)中心另一個(gè)重要組成部分是不間斷電源(UPS)，它有助于確保系統(tǒng)即使在停電時(shí)也能正常運(yùn)行。SiC因其可靠性、高效率特性，以及可提供低損耗清潔電力，在UPS設(shè)計(jì)中占有一席之地。UPS把直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源時(shí)會出現(xiàn)損耗——這種損耗縮短了UPS的后備電源時(shí)間。SiC有助于減少這些損耗，從而增加UPS蓄電池容量。由于SiC具備更高的功率密度，UPS系統(tǒng)可在不增加占地面積的情況下提供更高的性能，這是數(shù)據(jù)中心服務(wù)商在空間受限條件下的關(guān)鍵考慮因素。z48esmc

SiC是未來主流的半導(dǎo)體材料

整個(gè)市場對電動汽車、數(shù)據(jù)中心的需求日益增長，以支持物聯(lián)網(wǎng)、軟件和其他數(shù)據(jù)密集型運(yùn)營所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，SiC毫無疑問將是未來主流的半導(dǎo)體材料。z48esmc

同時(shí)，制造商也開始擴(kuò)大SiC產(chǎn)品的供應(yīng)，生產(chǎn)工藝也在不斷改進(jìn)、成本不斷降低。隨著相關(guān)應(yīng)用的增長，未來幾年內(nèi)SiC仍將是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。z48esmc

本文翻譯自《國際電子商情》姊妹刊EETimes US,原文：SiC Semiconductors and the Future of the Industryz48esmc