碳化硅是什么晶體？碳化硅是不是分子晶體

碳化硅是什么晶體，為什么這么貴？今天我們就來聊聊這個話題。首先我們要知道什么是碳化硅。碳化硅是一種新型半導體材料，也是目前世界上最主要的半體材料。碳化硅的硬度高，耐磨性好，可以用來制造各種電子元器件，比如手機、電腦等等。但是碳化硅價格昂貴，所以很多人不愿意使用。那么，為什么我國不用呢？難道是因為技術不成熟？其實不是這樣的，主要有以下幾個原因。

一：碳化硅是什么晶體

都是原子晶體，其熔點由其中的共價鍵的鍵能決定．鍵能越大，熔點越高．以上三種物質鍵能大小的順序為：金剛石＞碳化硅＞晶體硅．所以答案為（Ａ）

二：碳化硅是什么材質

碳化硅又名碳硅石、金剛砂，是一種無機物，化學式為SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物

碳化硅常作為一種磨料，用于加工打磨工藝。

三：碳化硅的原材料是什么

碳化硅，是一種無機物，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產綠色碳化硅時需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。在C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。中國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。碳化硅主要有四大應用領域，即：功能陶瓷、高級耐火材料、磨料及冶金原料。碳化硅粗料已能大量供應，不能算高新技術產品，而技術含量極高的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。1、作為磨料，可用來做磨具，如砂輪、油石、磨頭、砂瓦類等。2、作為冶金脫氧劑和耐高溫材料。3、高純度的單晶，可用于制造半導體、制造碳化硅纖維。主要用途：用于3-12英寸單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等線切割。太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

四：重結晶碳化硅

產生裂紋一般有三個原因1、粘結劑過多 2、粉料顆粒不均勻，壓制壓力過低 3、燒結溫度過低反應燒結：主要是利用碳與硅在高溫反應生成碳化硅來結合原料中的碳化硅顆粒，成品中會有較多游離硅的存在，具體的講應該叫硅和貝塔碳化硅結合碳化硅。重結晶：是通過高溫約2400度左右燒成使坯體中的碳化硅氣化后重新結晶生成碳化硅結合坯體中的碳化硅顆粒。無壓燒結：不同的產品選擇的結合劑不同，在燒結過程中沒有壓力，包括氣相壓力。

五：碳化硅是什么晶體結構

隨著節能減排、新能源并網、智能電網的發展，這些領域對功率半導體器件的性能指標和可靠性的要求日益提高，要求器件有更高的工作電壓、更大的電流承載能力、更高的工作頻率、更高的效率、更高的工作溫度、更強的散熱能力和更高的可靠性。經過半個多世紀的發展，基于硅材料的功率半導體器件的性能已經接近其物理極限。因此，以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料的發展開始受到重視。技術領先國家和國際大型企業紛紛投入到碳化硅和氮化鎵的研發和產業化中，產業鏈覆蓋材料、器件、模塊和應用等各個環節。

第三代半導體器件的優勢主要表現在：（1）比導通電阻是硅器件的近千分之一（在相同的電壓/電流等級），可以大大降低器件的導通損耗；（2）開關頻率是硅器件的20倍，可以大大減小電路中儲能元件的體積，從而成倍地減小設備體積，減少貴重金屬等材料的消耗；（3）理論上可以在600 ℃以上的高溫環境下工作，并有抗輻射的優勢，可以大大提高系統的可靠性，在能源轉換領域具有巨大的技術優勢和應用價值。

目前，第三代功率半導體器件已經在智能電網、電動汽車、軌道交通、新能源并網、開關電源、工業電機以及家用電器等領域得到應用，并展現出良好的發展前景。國際領先企業已經開始部署市場，全球新一輪的產業升級已經開始，正在逐漸進入第三代半導體時代。

碳化硅是目前發展最成熟的半導體材料，氮化鎵緊隨其后，金剛石、氮化鋁和氧化鎵等也成為國際前沿研究熱點。以下將通過一個系列3篇分別介紹當前的發展狀況。

一、碳化硅概述

碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物，目前已發現的碳化硅同質異型晶體結構有200多種，其中六方結構的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優勢，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導體器件的優良半導體材料，也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟的第三代半導體材料，與硅材料的物理性能對比，主要特性包括：（1）臨界擊穿電場強度是硅材料近10倍；（2）熱導率高，超過硅材料的3倍；（3）飽和電子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗輻照和化學穩定性好；（5）與硅材料一樣，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層。

碳化硅功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。其中，單晶材料是碳化硅功率半導體技術和產業的基礎，主要技術指標有單晶直徑、微管密度、單晶電阻率、表面粗糙度、翹曲度等；外延材料是實現器件制造的關鍵，主要技術指標有外延片直徑、外延層厚度、外延層摻雜濃度和表面缺陷密度等；器件是整個產業鏈的核心，主要技術指標有阻斷電壓、單芯片導通電流/電阻、阻斷狀態的漏電流、工作溫度等；模塊是實現器件應用的橋梁，主要技術指標有模塊容量、熱阻、寄生參數和驅動保護等；應用是碳化硅功率半導體器件和產業發展的源動力，主要技術指標是開關頻率、轉換效率和功率密度等。

二、碳化硅產業發展現狀

二十世紀九十年代以來，美、日、歐和其他發達國家為了保持航天、軍事和技術上的優勢，將發展碳化硅半導體技術放在極其重要的戰略地位，相繼投入了大量的人力和資金對碳化硅材料和器件技術進行了廣泛深入的研究，旨在提升其裝備系統的能力和減小組件的體積，目前已經取得了重大的突破。碳化硅功率半導體器件為更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的下一代電力電子技術的進步提供了機遇，在智能電網、軌道交通、電動汽車、新能源并網、開關電源、工業電機以及家用電器等領域具有重大的應用前景和產業價值。

1、碳化硅單晶材料

目前生長碳化硅單晶最成熟的方法是物理氣相輸運（PVT）法，其生長機理是：在超過2000 ℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質，在溫度梯度的驅動下，這些氣相物質將被輸運到溫度較低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶體。通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數可以生長特定的4H-SiC晶型。

碳化硅單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術發展首要解決的問題，持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點發展方向。2010年，美國Cree公司發布6英寸碳化硅單晶襯底樣品，并于2015年開始批量供貨；2015年，美國Cree、II-Ⅵ公司推出了8英寸碳化硅單晶襯底材料樣品。

全球導通型碳化硅晶圓材料市場的發展趨勢。導通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材。根據Yolo公司統計，2017年4英寸碳化硅晶圓市場接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預計到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25 %；6英寸碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。預計2020~2025年，4英寸碳化硅晶圓的單價每年下降10 %左右，市場規模逐步從10萬片市場減少到8萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長到20萬片；2025~2030年，4英寸晶圓逐漸退出市場，6英寸晶圓將增長至40萬片。

全球半絕緣碳化硅晶圓材料市場的發展趨勢。半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯，傳感感應器件上具備廣闊的應用空間。當前主流半絕緣襯底的產品以4英寸為主。2017年，全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預計到2020年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片，而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升至4~5萬片；2025~2030年，4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而6英寸晶圓將增長至20萬片。

國際上碳化硅單晶襯底材料的產業化公司主要有美國科銳（Cree）、II-VI、道康寧（Dow Corning），德國SiCrystal（被日本羅姆Rohm收購）等公司，其碳化硅單晶產品覆蓋4英寸和6英寸。

國內主要碳化硅單晶襯底材料企業和研發機構已經具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產品，并已經研發出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質量和產業化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。

2、碳化硅外延材料

與傳統硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術是化學氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實現一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發展。近年來，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經消除，掉落物、三角形、胡蘿卜、螺位錯、基平面位錯、深能級缺陷等成為影響器件性能的主要因素。隨著外延生長技術的進步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發展到目前的幾十μm、上百μm。

由于碳化硅器件必須制作在外延材料上，所以基本上所有碳化硅單晶材料都將作為襯底材料用來生長外延材料。國際上碳化硅外延材料技術發展迅速，最高外延厚度達到250 μm以上。其中，20 μm及以下的外延技術成熟度較高，表面缺陷密度已經降低到1個/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉化率接近100 %，已經基本達到碳化硅器件規模化生產對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產業化進度緩慢。目前批量碳化硅外延材料的產業化公司有美國的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。

我國碳化硅外延材料的研發和產業化水平緊緊跟隨國際水平，產品已打入國際市場。在產業化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產品水平接近國際先進水平；在研發方面，我國開發了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進水平有一定的差距。同時，由于國內碳化硅芯片制造能力薄弱，對碳化硅單晶和材料的需求較低，尚不足以完全支撐和拉動我國碳化硅單晶襯底和外延材料產業的發展。

3、碳化硅功率器件

碳化硅功率半導體器件包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等。

2001年，德國英飛凌（Infineon）公司最先發布碳化硅肖特基功率二極管產品，同年美國Cree公司也實現了碳化硅肖特基功率二極管的產業化。由于碳化硅晶體管的技術難度大，產業化進度落后于二極管。2010年，日本Rohm公司首先量產SiC MOSFET產品，2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產品。SiC IGBT和GTO等器件由于技術難度更大，仍處于研發階段，距離產業化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優越，成為目前應用最廣泛、產業化成熟度最高的碳化硅功率器件。

隨著國際上碳化硅功率器件技術的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產業化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市場的發展趨勢。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。Yole公司預測，2017~2020年，碳化硅器件的復合年均增長率超過28 %，到2020年市場規模達到35億元人民幣，并以超過40 %的復合年均增長率繼續快速增長。預計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規模將超過150億元人民幣，到2030年，全球碳化硅功率器件市場規模將超過500億元人民幣。國內碳化硅器件的市場約占國際市場的40 %~50 %。

目前，國際上主要的碳化硅功率器件產業化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %，另外，美國通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發了碳化硅功率器件產品。在SiC二極管產品方面，美國Wolfspeed（包括Cree）、德國Infineon公司已經推出了五代 SiC JBS產品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370 μm減薄至180 μm，進一步提高了器件的性能。Rohm公司開發了三代SiC二極管，最新產品也采用了溝槽型結構。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產品為主，從第五代開始推出1200 V產品，即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產品。在MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產品，電流從1 A～50 A不等；2017年3月，美國Wolfspeed公司發布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片，是目前單芯片電流容量最大的SiC MOSFET產品；Rohm公司的SiC MOSFET產品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級有650 V和1200 V；意法半導體開發了650 V和1200 V兩個電壓等級的SiC MOSFET產品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產品。另外，GeneSiC公司開發了1200 V和1700 V的 SiC BJT產品，Infineon和USCi公司開發了1200 V的SiC JFET產品。在研發領域，國際上已經開發了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品，以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設計技術、芯片制造工藝、器件封裝驅動技術以及市場需求的制約，以上高壓器件短期內無法實現產業化。

“十二五”初期，我國掀起了研發第三代功率半導體器件領域的熱潮；“十三五”期間，我國掀起了第三代功率半導體材料和器件產業化的浪潮。當前，我國的碳化硅功率器件產品以二極管產品為主，若干單位具備開發晶體管產品的能力，尚未實現產業化。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內有多家企業建成或正在建設多條碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產，將會大大提升國內碳化硅功率器件的產業化水平。

4、碳化硅功率模塊

為了進一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進行并聯集成封裝。碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產品發展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產品最高電壓等級3300 V，最大電流700 A，最高工作溫度175 ℃。在研發領域，全碳化硅功率模塊最大電流容量達到1200 A，最高工作溫度達到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。

基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術和產業，我國碳化硅功率模塊的產業化水平緊跟國際先進水平。由于國內SiC MOSFET芯片產品尚未實現產業化，我國開發碳化硅功率模塊產品中MOSFET芯片全部采用進口芯片。

碳化硅功率半導體的典型應用。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有能源的轉換效率，對高效能源轉換領域產生重大而深遠的影響，主要領域有智能電網、軌道交通、電動汽車、新能源并網、通訊電源等。

（1）智能電網

目前碳化硅器件已經在中低壓配電網開始了應用。未來更高電壓、更大容量、更低損耗的柔性輸變電對萬伏級以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能電網的主要應用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等、電力電子變壓器等裝置中。除了高壓器件以外，智能電網應用領域對大容量器件、壓接封裝具有獨特的需求。

（2）軌道交通

軌道交通行業也是碳化硅功率器件主要指標應用行業之一。未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統。目前，受限于碳化硅功率器件的電流容量，碳化硅混合模塊將首先開始替代部分硅IGBT模塊。未來隨著碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模塊將在軌道交通領域發揮更大的作用。

（3）新能源汽車

新能源汽車是我國各級政府重點支持的碳化硅功率器件應用領域。碳化硅功率器件應用在電動汽車領域具有巨大的優勢。碳化硅功率器件的高溫特性和高熱導性能可以顯著減少散熱器的體積和降低成本，其高頻特性有助于提高電機驅動器的功率密度，減小體積，降低重量，并推動新型拓撲在電機驅動、充電樁和車載充電器中的應用，實現電動汽車半導體設備的全方位升級換代。

（4）新能源并網

目前國際上光伏并網裝備市場是碳化硅功率器件的第二大應用市場，占碳化硅功率器件市場超過30 %以上。碳化硅光伏逆變器效率可以達到99 %以上，能量轉換損耗可以降低50 %以上，這將極大地降低逆變器的成本和體積。風機并網裝備對中高壓碳化硅功率器件具有重大的需求，以代替硅器件串聯或拓撲級聯，顯著減小裝置的體積，大幅度提高風機變流器工作效率和可靠性，預計到2020年，碳化硅功率器件將進入風機并網裝備市場。

（5）數據中心和通訊電源

2001年，Infineon公司將600 V的碳化硅二極管與硅基器件組合用于通訊電源中，打開了碳化硅功率器件的市場。目前數據中心和通訊電源市場是碳化硅功率器件的最大市場。SiC MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，SiC JBS反向恢復時間“零”特性使得電路的開關損耗大幅度降低，在數據中心和通訊電源中具有巨大優勢前景。

三、碳化硅功率半導體存在的問題

盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。

1、碳化硅單晶材料

國際上碳化硅單晶材料領域存在的問題主要有：

（1）大尺寸碳化硅單晶襯底制備技術仍不成熟。目前國際上碳化硅芯片的制造已經從4英寸換代到6英寸，并已經開發出了8英寸碳化硅單晶樣品，與先進的硅功率半導體器件相比，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。

（2）缺乏更高效的碳化硅單晶襯底加工技術。碳化硅單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點，必須進一步開發大尺寸碳化硅晶體的切割工藝，提高加工效率。襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸碳化硅襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發研磨、拋光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。

（3）P型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的碳化硅產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要P型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滯后。

近年來，我國碳化硅單晶材料領域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，我國碳化硅單晶材料領域在以下兩個方面存在巨大的風險：一是本土碳化硅單晶企業無法為國內已經/即將投產的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料。（2）碳化硅材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。

2. 碳化硅外延材料

國際上碳化硅外延材料領域存在的問題主要有：

（1）N型碳化硅外延生長技術有待進一步提高。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰，一定程度影響了中低壓碳化硅芯片良率的提高。

（2）P型碳化硅外延技術仍不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極型器件，對P型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的P型碳化硅外延材料。

近年來我國碳化硅外延材料技術獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其它國家的差距，已經開始批量采用本土4英寸單晶襯底材料，產品已經打入國際市場。但是，以下兩個方面存在巨大的風險：一是目前國內碳化硅外延材料產品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無法批量供貨6英寸產品。二是碳化硅外延材料加工設備全部進口，將制約我國獨立自主產業的發展壯大。

3. 碳化硅功率器件

雖然國際上碳化硅器件技術和產業化水平發展迅速，開始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場化進程，但是碳化硅功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領域存在的問題主要有：

（1）碳化硅單晶及外延技術還不夠完美，高質量的厚外延技術不成熟，這使得制造高壓碳化硅器件非常困難，而外延層的缺陷密度又制約了碳化硅功率器件向大容量方向發展。

（2）碳化硅器件工藝技術水平還比較低，這是制約碳化硅功率器件發展和推廣實現的技術瓶頸，特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質量氧化層生長工藝尚不理想，使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高溫和長期工作條件下可靠性低的缺陷。

（3）在碳化硅功率器件的可靠性驗證方面，其試驗標準和評價方法基本沿用硅器件，尚未有專門針對碳化硅功率器件特點的可靠性試驗標準和評價方法，導致試驗情況與實際使用的可靠性有差距。

（4）在碳化硅功率器件測試方面，碳化硅器件測試設備、測試方法和測試標準基本沿用硅器件的測試方法，導致碳化硅器件動態特性、安全工作區等測試結果不夠準確，缺乏統一的測試評價標準。

除了以上共性問題外，我國碳化硅功率器件領域發展還存在研發時間短，技術儲備不足，進行碳化硅功率器件研發的科研單位較少，研發團隊的技術水平跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下三個方面差距巨大：一是在SiC MOSFET器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，存在一定程度上依賴國際代工企業來制造芯片的弊病，容易受制于人，產業化水平不容樂觀。二是碳化硅芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立碳化硅工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。三是碳化硅器件高端檢測設備被國外所壟斷。

4. 碳化硅功率模塊

當前碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優勢，必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻，并提高芯片在高溫下的穩定運行能力。目前碳化硅功率模塊存在的主要問題有：

（1）采用多芯片并聯的碳化硅功率模塊，由于結電容小、開關速度高，因此在開關過程中會出現極高的電流上升率（di/dt）和電壓上升率（dv/dt），在這種情況下會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗，無法發揮碳化硅器件的優良性能。

（2）碳化硅功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創新不足，功率模塊雜散參數較大，可靠性不高。

（3）碳化硅功率高溫封裝技術發展滯后。目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發揮碳化硅功率器件的高溫優勢，必須進一步研發先進燒結材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術等方面實現整體突破。

5. 碳化硅功率半導體的應用

盡管碳化硅功率器件應用前景廣闊，但是目前受限于價格過高等因素，迄今為止，市場規模并不大，應用范圍并不廣，主要集中于光伏、電源等領域。目前碳化硅器件應用存在的主要問題有：（1）碳化硅功率器件的驅動技術尚不成熟。為了充分發揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅動芯片具有工作溫度高、驅動電流大和可靠性高的特點。目前驅動芯片沿用硅器件的驅動技術，尚不能滿足要求。（2）碳化硅功率器件的保護技術尚不完善。碳化硅功率器件具有開關頻率快、短路時間短等特點，目前器件保護技術尚不能滿足需求。（3）碳化硅器件的電路應用開關模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關特性，尚不能對碳化硅器件的電路拓撲仿真設計提供準確的指導。（4）碳化硅功率器件應用中的電磁兼容問題尚未完全解決。（5）碳化硅功率器件應用的電路拓撲尚不夠優化。目前碳化硅功率器件的應用電路拓撲基本上沿用硅器件的電路拓撲，沒有開發出完全發揮碳化硅功率器件優勢的新型電路拓撲結構。

四、碳化硅功率半導體下一步重點發展方向

1. 碳化硅單晶材料的發展重點

為了開發高壓大容量碳化硅功率半導體器件，必須突破碳化硅單晶材料的大直徑生長、多型控制、應力和位錯缺陷降低等關鍵技術，解決碳化硅單晶生長的瓶頸問題。積極推進單晶制造設備、單晶生長與加工設備、單晶檢測設備等的全面本土制造，加快推進大尺寸碳化硅單晶襯底的產業化進程，開發出6~8英寸碳化硅單晶襯底制備技術。典型的技術指標為：4H型單晶、直徑150 mm~200 mm、零微管、電阻率0.015 Ω?cm~0.030 Ω?cm；切磨拋圓片的技術參數：表面粗糙度≤0.1 nm，翹曲度（warp）≤ 20 μm、彎曲度（bow）≤10 μm、晶向（0001）偏4±0.5o。

2. 碳化硅外延材料的發展重點

碳化硅外延材料未來的重點發展方向主要有：（1）增大外延材料尺寸：目前碳化硅芯片的制造已經轉移到6英寸，未來會進一步提升至8英寸，通過提高晶圓尺寸來進一步降低碳化硅功率器件的制造成本。（2）進一步提升薄碳化硅外延材料的質量，實現基平面位錯等缺陷100 %的轉化率，大幅度降低甚至消除表面缺陷密度。（3）開發100 μm~300 μm厚碳化硅外延晶片，進一步降低碳化硅外延材料中的缺陷，提高少數載流子壽命，滿足制造萬伏級以上高壓PiN二極管和IGBT晶體管等器件的需求。

3. 碳化硅功率器件的發展重點

（1）碳化硅功率二極管器件

碳化硅功率二極管未來的發展重點，一是繼續優化中低壓SiC JBS二極管性能，依靠技術創新來解決器件開啟電壓高、高溫下的導通電阻大、抗浪涌能力差的問題；二是開發出萬伏及以上高壓器件。做大做強600 V~10 kV SiC JBS二極管產業，實現10 kV以上SiC PiN二極管的技術突破。碳化硅功率二極管產品的典型指標有：

600 V~1200 V SiC JBS器件，最大單芯片電流400 A；

1700 V~3300 V SiC JBS器件，最大單芯片電流300 A；

4500 V~6500 V SiC JBS器件，最大單芯片電流200 A；

10 kV SiC JBS器件，最大單芯片電流100 A；

10 kV~30 kV以上SiC PiN功率二極管，最大單芯片電流100 A。

（2）SiC MOSFET晶體管

作為單極型功率器件，SiC MOSFET具有低導通電阻、高輸入阻抗、高開關速度等優勢，是阻斷電壓600 V~10 kV內的理想功率器件，完全有可能取代Si IGBT器件，進一步提高系統的電能變換效率以及開關頻率。SiC?MOSFET的技術路線主要有平面柵和溝槽柵兩種，關鍵是進一步優化柵極工藝來提高SiC MOSFET柵極溝道電子遷移率和柵氧長期可靠性。SiC MOSFET產品的主要指標有：

600 V~1200 V SiC MOSFET晶體管，最大單芯片電流400 A；

1700 V~3300 V SiC MOSFET晶體管，最大單芯片電流300 A；

4500 V~6500 V SiC MOSFET晶體管，最大單芯片電流200 A；

10 kV SiC MOSFET晶體管，最大單芯片電流100 A。

（3）SiC IGBT/GTO器件

作為雙極型功率器件，SiC IGBT/GTO器件在高壓領域具有顯著的技術優勢，特別適用于高壓電力系統應用領域。近年來，國外研究報道的SiC GTO實驗樣品的耐壓已超過20 kV，SiC IGBT實驗樣品已達到27 kV，有望成為未來高壓電力系統輸電和配電中的重要器件。SiC IGBT器件面臨著與SiC MOSFET一樣的溝道載流子遷移低、柵氧可靠性低的問題，同時漂移區的缺陷導致IGBT的體載流子壽命低、電導調制困難。而且，由于P型碳化硅單晶襯底材料不成熟、N型材料少子壽命不夠高等問題，限制了高壓SiC IGBT和GTO器件的發展。解決這些問題需要通過碳化硅材料質量的改進、器件結構的優化、制造工藝的提高等各方面的共同進步來實現。SiC IGBT/GTO產品的主要指標有：

10 kV~30 kV SiC GTO器件，單芯片電流50 A~400 A；

15 kV~30 kV SiC IGBT晶體管，單芯片電流50 A~200 A。

4. 碳化硅功率模塊及典型應用

碳化硅功率模塊對封裝材料的高溫特性提出了新的要求。高溫封裝技術主要涉及耐高溫的金屬和陶瓷管殼、高溫焊料的焊接工藝、鍵合工藝和高溫絕緣膠工藝等。在碳化硅功率模塊封裝方面，重點開發新型的高可靠性的高溫封裝材料、低寄生電感的互聯工藝和高溫高可靠的焊接工藝，掌握全套的碳化硅器件封裝材料、封裝設計和封裝工藝技術，滿足高壓、大容量和高溫碳化硅功率模塊的需求，并掌握全套測試技術，研發整套測試設備，建立相關技術標準，為碳化硅功率器件在高壓大容量裝置中的應用打下基礎。

面向新能源汽車等領域，開發650 V~900 V碳化硅功率模塊，電流容量200 A~1200 A；

面向新能源并網等領域，開發600 V~1700 V功率模塊，電流容量200 A~1400 A；

面向軌道交通等領域，開發1700 V~6500 V功率模塊，電流容量200 A~2400 A；

面向智能電網等領域，開發10 kV~30 kV及以上碳化硅功率模塊，電流容量200 A~1200 A。