SiC 是第三代宽禁带半导体材料，在禁带宽度、击穿场强、电子饱和漂移速度等 物理特性上较 Si 更有优势，制备的 SiC 器件如二极管、晶体管和功率模块具有 更优异的电气特性，能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要 求的缺陷，也是能够超越摩尔定律的突破路径之一，因此被广泛应用于新能源领 域（光伏、储能、充电桩、电动车等）。

1. 什么是 SiC？

半导体材料按被研究和规模化应用的时间先后顺序通常分为三代。 

第一代：20 世纪 40 年代，硅（Si）、锗（Ge）开始应用，硅的自然储量大、制 备工艺简单，是当前产量最大、应用最广的半导体材料，应用于集成电路，涉及 工业、商业、交通、医疗、军事等人类生产生活的各个环节，但在高频高功率器 件和光电子器件应用上存在较大瓶颈。 

第二代：20 世纪 60 年代，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）在光电子、微电子、 射频领域被用以制作高速高频、大功率以及发光电子器件，能够应用于卫星通信、 移动通信、光通信、GPS 导航等。由于 GaAs、InP 材料资源稀缺、价格昂贵、 有毒性、污染环境，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

第三代：20 世纪 80 年代，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等为 代表的宽禁带（Eg＞2.3eV）半导体迅速发展，具有击穿电场高、热导率高、电 子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，满足高电压、高频率场景，应用于高电压 功率器件、5G 射频器件等领域。

与 Si 材料相比，SiC 主要优势在于： 

1）SiC 具有 3 倍于 Si 的禁带宽度，能减少漏电并提高耐受温度。 

2）SiC 具有 10 倍于 Si 击穿场强，能提高电流密度、工作频率、耐压容量并减 低导通损耗，更适合高压应用。 

3）SiC 具有 2 倍于 Si 的电子饱和漂移速度，所以可工作频率更高。 

4）SiC 具有 3 倍于 Si 的热导率，散热性能更好，能够支持高功率密度并降低散 热要求，使得器件更轻量化。因此，SiC 材料具有明显的材料性能优势，能满足现代电子对高温、高功率、高 压、高频、抗辐射等恶劣条件要求，适用于 5G 射频器件和高电压功率器件，满 足新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等）对于轻量化、高能效、高驱动 力等要求。

2. 我们为什么要用 SiC 做器件？

SiC 器件包括二极管、晶体管和功率模块。

2001 年英飞凌最先发布 SiC JBS 产 品；2008 年 Semisouth 发布了第一款常关型的 SiC JFET 器件；2010 年 ROHM 公司首先量产 SiC MOSFET 产品；2011 年 Cree 公司开始销售 SiC MOSFET 产品，2015 年 ROHM 继续优化推出了沟槽栅 MOSFET。目前， SiC SBD 二极管和 MOSFET 晶体管目前应用最广泛、产业化成熟度最高，SiC IGBT 和 GTO 等器件由于技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大 的差距。

SiC 器件因其材料特性表现优越电气性能：

1）导通、开关/恢复损耗更低：宽带隙使得 SiC 器件漏电流更少，并且在相同耐压条件下，SiC 器件的导通电阻约为硅基器件的 1/200，因此导通损耗更低；Si FRD 和 Si MOSFET 从正向偏置切换到反向偏置的瞬间会产生极大的瞬态 电流，过渡到反向偏置状态会产生很大损耗。而 SiC SBD 和 SiC MOSFET 是 多数载流子器件，反向恢复时只会流过结电容放电程度的较小电流。并且，该瞬 态电流几乎不受温度和正向电流的影响，无论在何种环境条件下都可以实现稳定 快速（小于 20ns）的反向恢复。根据 ROHM，SiC MOSFET+SBD 的模组可 以将开通损耗（Eon）减小 34%，因此恢复损耗低；SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，根据 ROHM ， SiC MOSFET+SBD 的模组可以将关断损耗（Eoff）减小 88%，因此开关损耗更低。

2）器件得以小型化：SiC 禁带宽度决定了它能够以更高的掺杂浓度、更薄的膜厚漂移层制作出 600V 以上的高压功率器件（对于相同耐压的产品、同样的导通电阻，芯片尺寸更小）；SiC 饱和电子漂移速率高，所以 SiC 器件能实现更高的工作频率和更高的功率 密度，因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，从而降低了组成系统 后的体积及其他组件成本。SiC 带隙宽并且导热率显著，不仅在高温条件下也能稳定工作，器件散热更容易， 因此对散热系统要求更低。

3）SiC 器件热稳定：SiC SBD 与 Si FRD 开启电压都小于 1V，但 SiC SBD 的温度依存性与 Si FRD 不同：温度越高，导通阻抗就会增加，VF 值会变大，不易发生热失控，提升系 统的安全性和可靠性。同等温度条件下，IF=10A 时 SiC 与硅二极管正向导通电 压比对，SiC 肖特基二极管的导通压降为 1.5V，硅快速恢复二极管的导通压降 为 1.7V,SiC 材料性能好于硅材料。此外，Si MOSFET 的漂移层电阻在温升 100℃时会变为原来 2 倍，但 SiC MOSFET 的漂移层电阻占比小，其他电阻如沟道电阻在高温时会稍微下降，n+ 基板的电阻几乎没有温度依存性，因此在高温条件下导通电阻也不容易升高。

碳化硅有其优势性能和应用领域，比如：

1. 高熔点和热导率：碳化硅具有非常高的熔点和热导率，使其在高温环境下表现出色。相比之下，传统的硅半导体材料在高温下容易失去性能。其他第三代半导体材料，如氮化镓（GaN）和氧化锌（ZnO），虽然在某些特定应用中也表现出色，但碳化硅在高温条件下的稳定性和性能仍然是其独特的优势。

2. 宽带隙能隙：碳化硅具有较大的带隙能隙，导致其电子能级结构具有独特的特性。这使得碳化硅在高功率、高频率电子器件中能够实现更高的电子饱和漂移速度，从而减少功率损耗。相比之下，氮化镓和氧化锌的带隙能隙较小，不太适合高功率应用。

3. 高电场饱和速度：碳化硅的电子在高电场下仍然能够维持较高的速度，不容易受到电场的限制。这使得碳化硅在高频率应用中具有出色的性能，如射频功率放大器和微波器件。相比之下，虽然氮化镓也在高频率领域具有优势，但碳化硅的电子流动性仍然更高。

4. 高击穿电场强度：碳化硅的击穿电场强度非常高，意味着它可以在高电场下工作而不会失去性能。这对于高电压应用、电力电子器件以及电力传输系统非常重要。相比之下，其他第三代半导体材料的击穿电场强度较低。

5. 射频性能：碳化硅在射频领域表现出色，具有低损耗和高功率承载能力。这使得它在无线通信、雷达系统和高频电子设备中具有广泛的应用前景。相比之下，其他第三代半导体材料的射频性能可能较差。