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碳化硅七大应用领域大揭秘:探索未来科技的无尽可能!

发布时间:2024-05-11 浏览:165次

碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性,突破硅基半导体材料物理限制,是第三代半导体核心材料。 碳化硅材料主要可以制成碳化硅基氮化镓射频器件和碳化硅功率器件。受益于 5G 通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展,碳化硅需求增速可观。

第一代半导体主要有硅和锗,由于硅的自然储量大、制备工艺简单,硅成为制造半导体产品的主要原材料,广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是,第一代半导体材料难以满足高功率及高频器件需求。

砷化镓是第二代半导体材料的代表,较高的电子迁移率使其应用于光电子和微电子领域,是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性,无法在高温、高频、高功率器件领域推广。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表,与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度,保证了其可击穿更高的电场强度,适合制备耐高压、高频的功率器件,是电动汽车、5G 基站、卫星等新兴领域的理想材料。


三代半导体材料的指标参数对比

SiC具有宽的禁带宽度、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能,使其有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点,可降低下游产品能耗、减少终端体积。碳化硅的禁带宽度大约为 3.2eV,硅的宽带宽度为 1.12eV,大约为碳化硅禁带宽度的 1/3,这也就说明碳化硅的耐高压性能显著好于硅材料。

此外,碳化硅的热导率大幅高于其他材料,从而使得碳化硅器件可在较高的温度下运行,其工作温度高达600℃,而硅器件的极限温度仅为300℃;另一方面,高热导率有助于器件快速降温,从而下游企业可简化器件终端的冷却系统,使得器件轻量化。根据 CREE 的数据,相同规格的碳化硅基 MOSFET 尺寸仅为硅基MOSFET 的 1/10。

同时,碳化硅具有较高的能量转换效率,且不会随着频率的提高而降低,碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的 10 倍,相同规格的碳化硅基 MOSFET 总能量损耗仅为硅基 IGBT 的 30%。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅,在 5G 通信、航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥重要作用。

碳化硅产业链可分为三个环节:碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场,通常采用物理气相传输法(PVT 法)制备碳化硅单晶,再在衬底上使用化学气相沉积法(CVD 法)生成外延片,最后制成器件。在 SiC 器件的产业链中,主要价值量集中于上游碳化硅衬底(占比 50%左右)。

碳化硅衬底的产业链

碳化硅衬底根据电阻率划分:半绝缘型碳化硅衬底:指电阻率高于 105Ω·cm 的碳化硅衬底,其主要用于制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件,中国大力发展 5G 技术推动碳化硅衬底需求释放。

导电型碳化硅衬底:指电阻率在 15~30mΩ·cm 的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件,功率器件是电力电子变换装置核心器件,广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电动化趋势利好 SiC发展。

碳化硅应用场景根据产品类型划分:

1、射频器件:射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件,如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点,相较于传统的硅基 LDMOS 器件,其可以更好地适应 5G 通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

2、功率器件:又称电力电子器件,主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件,有功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高压领域有深远影响,主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

3、新能源汽车:电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统(On-board charger,OBC)、车载 DC/DC 及非车载充电桩。其中,电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多,碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。目前,国内外车企均积极布局碳化硅器件应用,以优化电动汽车性能,特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产成本降低,碳化硅在充电桩领域的应用也将逐步深入。

4、光伏发电:目前,光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据,使用碳化硅功率器件可使转换效率从 96%提高至 99%以上,能量损耗降低 50%以上,设备循环寿命提升 50 倍,从而带来成本低、效能高的好处。

5、智能电网:国家大力发展新基建,特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能电网中的主要应用场景包括:高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。相比其他电力电子装置,电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性,碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性,并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势,在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

6、轨道交通:轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置

7、射频通信:碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,能够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求,逐步成为 5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

在国家产业政策的支持和引导下,我国碳化硅晶片产业发展大幅提速。国内企业以技术驱动发展,深耕碳化硅晶片与晶体制造,逐步掌握了 2 英寸至 6 英寸碳化硅晶体和晶片的制造技术,打破了国内碳化硅晶片制造的技术空白并逐渐缩小与发达国家的技术差距。未来伴随我国新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等行业的快速发展,我国碳化硅材料产业规模和产业技术将得到进一步提升。

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