三代半导体之碳化硅
一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓
一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。
在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。
SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年，商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。
相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。
因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。
微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。
42GHz频率的SiC MESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。
现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。
一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。
英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷(Qc)值与第二代产品的正向电压(Vf)水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。
飞兆半导体发布了SiC BJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。
ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，比Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz 以上的开关频率。
值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。
SiC的市场颇为被看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。
第三代半导体分类
第三代半导体分类第三代半导体是指在半导体材料和器件方面的新一代技术。
与第一代和第二代半导体相比，第三代半导体具有更高的性能和更广泛的应用领域。
本文将从材料和器件两个方面介绍第三代半导体的分类。
一、材料分类第三代半导体的材料主要包括氮化硅（GaN）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。
这些材料具有优异的电子特性和热特性，使得第三代半导体在高频、高功率和高温环境下表现出色。
1. 氮化硅（GaN）氮化硅是一种宽禁带半导体材料，具有较高的电子饱和迁移率和较高的击穿电场强度。
它在高频功率放大器、射频开关和LED照明等领域有广泛应用。
2. 碳化硅（SiC）碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有较高的热导率和较高的击穿电场强度。
它在功率电子器件、高温电子器件和光电子器件等领域有广泛应用。
3. 氮化镓（GaN）氮化镓是一种窄禁带半导体材料，具有较高的电子迁移率和较高的饱和漂移速度。
它在高频功率放大器、射频开关和蓝光LED等领域有广泛应用。
二、器件分类第三代半导体的器件主要包括高电子迁移率晶体管（HEMT）、功率二极管和蓝光LED。
这些器件利用第三代半导体材料的优异特性，实现了更高的性能和更广泛的应用。
1. 高电子迁移率晶体管（HEMT）高电子迁移率晶体管是一种基于第三代半导体材料的场效应晶体管。
它具有较高的电子迁移率和较低的漏电流，适用于高频功率放大器和射频开关等领域。
2. 功率二极管功率二极管是一种基于第三代半导体材料的二极管。
它具有较高的击穿电压和较低的导通电阻，适用于功率电子器件和高温电子器件等领域。
3. 蓝光LED蓝光LED是一种基于第三代半导体材料的发光二极管。
它具有较高的发光效率和较长的寿命，适用于照明和显示等领域。
总结：第三代半导体是一种具有高性能和广泛应用领域的新一代半导体技术。
通过不同的材料和器件设计，第三代半导体实现了在高频、高功率和高温环境下的优异表现。
随着技术的不断发展，第三代半导体将在各个领域展现出更大的潜力和应用前景。
第三代半导体芯片的原料
第三代半导体芯片主要是指基于宽禁带半导体材料的芯片，这些材料具有较高的击穿电压、热稳定性和电子迁移率。
与传统的硅基半导体相比，第三代半导体在高温、高电压和高功率应用中表现出更好的性能。
第三代半导体芯片的主要原料包括：
1. 碳化硅（SiC）：碳化硅是一种典型的宽禁带半导体材料，具有高击穿电压、高热导率和低电子迁移率的特点。
碳化硅芯片适用于高功率和高温的应用，如电动汽车、可再生能源和工业自动化。
2. 氮化镓（GaN）：氮化镓同样是一种宽禁带半导体材料，具有更高的电子迁移率和更低的电阻率。
氮化镓芯片适用于高效率的电力电子转换和高速通信系统。
3. 氧化镓（Ga2O3）：氧化镓是另一种宽禁带半导体材料，其熔点较高，适用于高功率和高温环境下的应用。
4. 金刚石：虽然金刚石不是宽禁带半导体，但它是一种优秀的导热材料，可以用于散热applications。
这些材料在生产第三代半导体芯片时需要经过严格的加工和处理，包括晶体生长、切割、抛光、蚀刻、掺杂和封装等步骤。
第三代半导体芯片的研究和开发正在不断进展，有望在未来的电子和光电应用中发挥重要作用。
碳化硅的结构性质和用途
碳化硅的结构性质和用途【摘要】SiC陶瓷材料因其具有良好的耐磨、耐冲刷、耐腐蚀等优异的特性,被广泛应用机械、化工等行业。
本文采用双向加压的压制成型方法,通过无压烧结,成功的研制了在高耐磨、耐冲刷环境下所使用的喷砂机用喷砂嘴。
【关键字】引言结构与晶型碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。
碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。
四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。
SiC具有α和β两种晶型。
β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC 存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。
在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。
在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。
当高于1600℃时，β－SiC缓慢转变成α－SiC的各种多型体。
4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。
常见的SiC多形体列于下表：SiC常见多型体及相应的原子排列性能碳化硅（SiC）陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热稳定性好，高温强度大，热膨胀系数小，热导率大以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。
因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手，日益受到人们的重视。
例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、切削工具、燃汽涡轮机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。
制备与烧结碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。
碳化硅陶瓷的烧结方法有：无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结。
采用采用不同的烧结方法，SiC陶瓷具有各异的性能特点。
如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结SiC陶瓷相对较多，反应烧结SiC相对较低。
第三代半导体材料
第三代半导体材料
第三代半导体材料是指具有较高电子运动性能和导电性的新型材料，通常用于
替代传统的硅材料在电子器件中的应用。
这些材料在电子器件中具有更高的能带宽度和电子迁移率，因此可以实现更高的频率和功耗效率。
第三代半导体材料主要包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和氮化铟（InN）等。
氮化镓（GaN）
氮化镓是一种优良的半导体材料，具有较宽的能隙和高电子迁移率。
它在高功
率电子器件中广泛应用，如射频功率放大器、微波器件和光电子器件等。
氮化镓材料的高电子迁移率和高饱和漂移速度使其成为发展高频率高功率电子器件的理想选择。
碳化硅（SiC）
碳化硅是一种具有优良热导性和耐高温特性的半导体材料。
它被广泛应用于功
率电子器件和光电子器件中，如功率开关、脉冲功率放大器和光伏逆变器等。
碳化硅材料的高击穿电场强度和低导通电阻使其在高功率应用中具有较好的性能表现。
氮化铟（InN）
氮化铟是一种新型的半导体材料，具有较大的载流子迁移率和较高的载流子浓度。
它在光电子器件领域有着广泛的应用，如激光器、光探测器和光伏电池等。
氮化铟材料的优良光电性能使其成为实现高效能源转换和光通信的重要材料之一。
第三代半导体材料的出现为电子器件的性能提升和功能拓展提供了新的可能性，将推动电子科技领域的持续发展和创新。
随着对半导体材料性能要求的不断提高，第三代半导体材料必将在未来的电子设备中发挥越来越重要的作用。
第三代半导体材料的应用
第三代半导体材料的应用
随着科技的飞速发展，半导体材料在电子、通信、光电子等领域中发挥着越来越重要的作用。
目前，第三代半导体材料已经成为了研究的热点之一，其包括氮化镓、碳化硅、氮化铝等，具有高频率、高功率、高温度、高亮度等特性，被广泛应用于光电子、电力电子、微电子等领域。
在光电子领域，第三代半导体材料的应用主要包括LED照明、激光器、太阳能电池等。
其中，氮化镓材料制成的LED照明具有高亮度、节能、长寿命等优点，正在逐步替代传统照明设备；而碳化硅材料制成的激光器则被广泛应用于高功率激光加工、医疗美容等领域。
在电力电子领域，第三代半导体材料的应用主要包括功率器件、电子变压器等。
氮化铝材料制成的功率器件具有高频率、高功率、高可靠性等特点，广泛应用于电力转换、电动汽车等领域；而碳化硅材料制成的电子变压器则被广泛用于高速列车、航空航天等领域。
在微电子领域，第三代半导体材料的应用主要包括射频器件、传感器等。
氮化镓材料制成的射频器件具有高频率、低噪声、低功耗等优点，广泛应用于5G通信、卫星通信等领域；而碳化硅材料制成的传感器则被广泛用于环境监测、智能家居等领域。
总之，第三代半导体材料的应用正在不断扩大，为电子、通信、光电子等领域的发展带来了新的机遇和挑战。
未来，随着技术的不断进步，第三代半导体材料的应用前景将会更加广阔。
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碳化硅发展趋势、难点痛点以及国内产业链解析
碳化硅发展趋势、难点痛点以及国内产业链解析碳化硅（SiC）材料是功率半导体行业主要进步发展方向，用于制作功率器件，可显着提高电能利用率。
可预见的未来内，新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。
特斯拉作为技术先驱，已率先在Model 3中集成全碳化硅模块，其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。
随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟，碳化硅功率器件行业未来可期。
【什么是碳化硅?】碳化硅（SiC）是第三代化合物半导体材料。
半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料（大部分为目前广泛使用的高纯度硅），第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟），第三代化合物半导体材料（碳化硅、氮化镓）。
碳化硅因其优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。
【碳化硅的物理化学性能】碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。
半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件” 结构。
碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。
碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。
碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。
根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型。
其中，导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件，市场规模较大；半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域，随着 5G 通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。
【碳化硅加工工艺研究】SiC的硬度仅次于金刚石，可以作为砂轮等磨具的磨料，因此对其进行机械加工主要是利用金刚石砂轮磨削、研磨和抛光，其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。
但是SiC材料不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层，且产生较为严重的表面与亚表层损伤，影响加工精度。
第三代半导体SIC MOSFET 碳化硅MOS管产品应用介绍,国产替换：罗姆 ROHM-科锐 CERR
32A
16A
200～450V
20A
10A
6.6kw
85～265V
3.3kw
95%
300X210X78mm
116X180X295mm
水冷 6.5kg -40℃～+80℃ 5%～95% CAN
15kW特种移动充电机
工作电压 额定输入电流
功率因素 THD
输出电压范围 输出功率 稳定精度 最高效率
本体尺寸（宽X深X高） 工作温度 湿度 冷却方式 通讯方式 保护功能
TO268-7L ASC100N650MB ASC50N650MB ASC30N650MB ASC15N650MB ASC60N900MB ASC30N900MB ASC20N900MB ASC60N1200MB ASC30N1200MB
Bare Chip ASC100N650MB ASC50N650MB ASC30N650MB ASC15N650MB ASC60N900MB ASC30N900MB ASC20N900MB ASC60N1200MB ASC30N1200MB
主要应用：高频/高压/高功率电源 产品特性：
● 新能源车充电：EV Charging
● 塑封品结温175°C ，最高芯片结温高达300°C
● 高压逆变应用： DC/DC Converters ● 优良品质因子FOM，适合高频应用
● 功率因素校正电源：PFC
● 高电压应用下具有低导通损耗
● 电机驱动：Motor Drives
● 导通特性正温度特性，易并联驱动
SiC MOSFET产品系列：
Vds 650V
900V 1200V
Rdson 20mohm 50mohm 100mohm 200mohm 30mohm 60mohm 100mohm 40mohm 80mohm
第三代半导体材料特点及资料介绍
第三代半导体材料特点及资料介绍
第三代半导体的材料特性
与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力（图2），更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV），亦被称为高温半导体材料。
从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，而氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——并称为第三代半导体材料的双雄。
图2第三代半导体的材料特性
相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度。
因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。
微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。
42GHz频率的SiCMESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED是全彩色大面积显示屏的关键器件。
在碳化硅SiC中掺杂氮或磷可以形成n型半导体，而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。
在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。
掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和
6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性，但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。
掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II 型半导体，但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。
氮化镓（GaN、Galliumnitride）是氮和镓的化合物，此化合物结构类似纤。
第三代半导体碳化硅工艺流程
使用光刻机在碳化硅外延层上刻蚀出所需电路图形
7. 刻蚀
通过化学或物理方法，将光刻后的碳化硅外延层进行刻蚀，形成电路结构
8. 离子注入
通过离子注入技术，向碳化硅中注入所需的杂质原子，改变其导电性能
9. 金属钝化
在碳化硅表面沉积金属层，以提高其稳定性和可靠性
10. 晶圆切割
将碳化硅晶圆切割成单个芯片（die）
第三代半导体碳化硅工艺流程
工艺流程步骤
描述
1. 合成碳化硅粉
通过化学反应或物理方法合成碳化硅粉末
2. 制作碳化硅晶锭
将碳化硅粉末通过高温处为后续工艺的起始材料
4. 打磨与抛光
对碳化硅薄片进行打磨和抛光，使其表面达到所需的光洁度
5. 外延生长
在碳化硅薄片上进行外延生长，形成碳化硅外延层
11. 封装
对芯片进行封装，以保护芯片并提供电气连接
12. 测试与分析
对封装后的碳化硅器件进行测试和分析，确保其性能符合要求
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半导体也分代？三代半导体之碳化硅。
三代半导体是什么？？？
随着半导体逐渐进入人们的视野
时至今日半导体材料家族也在逐渐扩大
现在的半导体迭代也已经到了第三代
第三代半导体以碳化硅以及氮化镓为代表
可应用在更高阶的高压功率元件
以及高频通讯元件领域：例如高温、高频、抗辐射、大功率器件等等~
第三代半导体的优势在哪里呢？
—比导通电阻是硅器件的近千分之一（在相同的电压/电流等级），可以大大降低器件的导通损耗；
—开关频率是硅器件的20倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；
—理论上可以在600 ℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。
第三代半导体器件如今的应用领域非常广泛
智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用，并展现出良好的发展前景，可以说全球正在逐渐进入第三代半导体时代。
而就第三代半导体来说：碳化硅是目前发展最成熟的半导体材料，氮化镓紧随其后，金刚石、氮化铝和氧化镓等也成为国际前沿研究热点。
以下将通过一个系列3篇分别介绍当前的发展状况。
既然提到了成熟的碳化硅
那么我们就来聊一聊这个碳化硅是什么
碳化硅又名碳硅石、金刚砂，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。
在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。
1891年美国人艾奇逊在电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今，以碳质材料为炉芯体的电阻炉，通电加热石英SIO2和碳的混合物生成碳化硅，随后碳化硅就被进一步研发：
1905年第一次在陨石中发现碳化硅。
1907年第一只碳化硅晶体发光二极管诞生。
1955年高品质碳化概念提出，从此将SiC作为重要的电子材料。
1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流。
1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法。
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。
目前生长碳化硅单晶最成熟的方法是物理气相输运（PVT）法，：在超过2000 ℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶体。
通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。
碳化硅单晶材料主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种。
高质量、大尺寸的碳化硅单晶材料是碳化硅技术发展首要解决的问题，持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度（微管、位错、层错等）是其重点发展方向。
二十世纪九十年代以来，美、日、欧和其他发达国家，为了保持航天、军事和技术上的优势，将碳化硅半导体技术，放在非常重要的战略地位。
目前SiC晶片（包括照明用SiC）市场主要由美、欧、日主导其中美国厂商占据主导地位而随着大量的人力和资金投入提升了装备系统能力并减小了组件的体积；而近些年来我国也意识到了半导体行业的重要性。
当前，我国的碳化硅功率器件产品以二极管产品为主，若干单位具备开发晶体管产品的能力，尚未实现产业化。
在国家科技项目和各级政府的支持下，目前国内有多家企业建成或正在建设多条碳化硅芯片工艺线，这些工艺线的投产，将会大大提升国内碳化硅功率器件的产业化水平。
尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模，但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破，比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决。
碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等，全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距，在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。
当前碳化硅功率模块主要有引线键合型和平面封装型两种。
为了充分发挥碳化硅功率器件的高温、高频优势，必须不断降低功率模块的寄生电感、降低互连层热阻，并提高芯片在高温下的稳定运行能力。
但实际上，不仅是工艺问题，在整个制造过程中的外部保护也是一个很重要的问题。
半导体芯片手套箱
半导体芯片手套箱专为研究材料科学、化学、半导体及相关行业所设计的，主要配置除烟尘系统、真空烘箱、水冷系统，适用于激光焊接。
采用德国BASF除氧材料，美国UOP高效吸水材料，手套箱内水氧成份可长期持续维持在高清洁与高纯度的气体环境中，手/自动控制系统气压；手/自动控制系统的净化状态；自动控制气体净化系统的还原过程；自动提示、报警功能；系统控制参数设置；系统参数记录；系统执行机构工况监测；透明的前面板使操作更方便容易，广泛应用于半导体工业中MOCVD技术。
而针对于碳化硅这种全新的材料，新的手套箱产品针对不同用户的需求也进行了更为细化的定制改造，在原有高标准产品的基础上，进行了进一步的生产设计与制造强化：
先发优势一直是半导体行业的特点
国产厂商对SiC研究起步时间与国外厂商并没有相差太多因此我们很有希望赶上第三代半导体的脚步完成国产替代
伊特克斯手套箱
也将在半导体生产保护领域奉献出自己的一份力量~。