碳化硅性能突出，是宽禁带半导体核心材料

1.1  碳化硅基本情况

半导体是电子产品的核心、现代工业的“粮食”。半导体是指常温下导电能力介于导体与绝缘体之间的电子材料，其电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm。半导体物理特性使得其主要用于制造集成电路、光电子器件、分立器件和传感器四类产品。半导体制造产业链由设计、制造和封装测试环节构成，其产品广泛应用于移动通信、电力电子、国防军工等领域。

碳化硅是第三代半导体材料，光电特性优越，满足新兴应用需求。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。

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。