SiC(碳化硅)项目可行性研究报告-为何被称为是新一代功率半导体
SiC(碳化硅)作为第三代半导体，以耐高压、高温和高频，在高性能功率半导体上显出优势。据SiC厂商罗姆基于IHS的调查显示，年整个市场规模将达到约23亿美元。在应用中，在光伏和服务器市场最大，正处于发展中的市场是xEV（电动与混动汽车）。随着SiC产品特性越做越好，在需要更高电压的铁路和风电上将会得到更多的应用。
不过，制约SiC发展的关键是价格，主要原因有两个：衬底和晶圆尺寸。例如晶圆尺寸越大，成本也会相应地下降，罗姆等公司已经有6英寸的晶圆片。在技术方面，众厂商竞争的有两个焦点：技术和原材料。
不久前，罗姆半导体（北京）有限公司设计中心所长水原德建先生介绍了SiC的优势及工艺技术。
1、什么是SiC
SiC(碳化Si)是以1：1的比例，用Si(Si)和碳(C)生成的化合物。
SiC硬度很高。市面上最硬的是钻石，硬度为15，SiC的硬度是13，已接近钻石的硬度。
SiC的物理特性。与Si和GaN(氮化镓)相比，如图。Si是市场上现在用得最多的材料。目前半导体功率元器件中的材料主要是这3种材料。
SiC在物理特性上的好处。第一是击穿场强度会更强，因此耐压更高，所以它可以做成耐高压的产品。
第二是熔点和Si相比会更高一些。这样可以耐更高的温度，大约可以耐到Si温度3倍以上。第三个好处是电子饱和速度会更快一些，所以SiC的频率可以做得更高。
另外还有两个优势：一是热传导性很高，这样冷却更容易去做；再有，禁带宽度更宽，这样可以使工作温度更好做。
因此总结起来SiC的五角形优势，从产品本身看，SiC耐高压、高温和高频；另外在设计上，因为SiC耐的温度会更高一些，因此更容易做冷却和散热设计。
2、SiC性能优势明显，是更佳衬底材料
随着半导体工艺及材料的发展，以SiC为代表的半导体材料在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势进一步满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，其主要性能优势如下：
1）低能量损耗。SiC具有3倍于硅的禁带宽度，使得SiC器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗，同时SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。
2）耐高压。SiC击穿电场强度是硅的10余倍使得SiC器件耐高压特性显著高于同等硅器件。
3）耐高温。SiC相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。
SiC与传统材料性能对比
SiC功率半导体的性能优势主要体现低关断损耗与导通损耗。通过两组实验对比可以发现，硅基IGBT、FRD模组在开关关断时会产生尾（tail）电流，因而产生不必要的开关损耗，使用SiCMOSFET、SBD的模组的关断损耗（Eoff）降低了88%。同时，因硅基IGBT的尾电流随温度升高而增加，在高温时损耗相较于SiCMOSFET将进一步加大；而硅基IGBT、FRD组成的模组在开关导通时，恢复电流（红色虚线圈起部分）是开关导通时的一大损耗，而在SiCMOSFET、SBD组成的模组中则几乎无相应波形，SiCMOSFET、SBD的模组与硅基IGBT、FRD的模组的导通损耗Eon相比降低了34%。
同时，由于SiC有较高的禁带宽度，SiC功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10；此外同样由于其高禁带宽度，SiC器件可进行重掺杂，SiC器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/。
同规格SiC器件与硅器件对比情况
SiC晶片在生长时根据掺杂不同可分为导电型及半绝缘型，导电型晶片用于生长SiC外延，主要用于制造功率器件，下游应用于新能源汽车及光伏；半绝缘型晶片用于生长氮化镓外延，主要用于制造微波射频芯片，应用于5G、通讯等。
SiC生长制备环节及应用分类
3、成本是主要瓶颈，下降趋势明显
目前各类SiC器件成本仍比Si基器件高2.4~8倍，但受下游扩产及电动车需求逐步增加，年降幅达36~46%，逐步接近商业化应用。根据CASA统计，SiC二极管中耐压V-V的SiCSBD，年底的平均价格是1.82元/A，较年底下降了35.92%，与Si器件的差距缩小到2.4倍左右；1V的SiCSBD的均价降至4.09元/A，较年下降了45.76%，但与Si器件的差距仍然保持在5倍左右，耐压V-V的SiC晶体管在年底的平均价格是2.44元/A，较年底价格下降了46.4%，与Si器件的差距由12倍缩小到8倍左右。耐压1V的SiC晶体管的价格降价明显，降至3.9元/A，较年底下降了45%，与Si器件的差距仍然保持在6倍左右。
SiC与Si二极管价格对比（元/A）
SiC与Si晶闸管价格对比（元/A）
我们预计~年为达到SiC达到合理性价比的关键节点，主要原因在于：1）根据Cree