在热力学方面,碳化硅硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3,是最硬的物质之一,可以用于切割红宝石;导热率超过金属铜,是Si的3倍、GaAs的8-10倍,且其热稳定性高,在常压下不可能被熔化;
在电化学方面,碳化硅具有宽禁带、耐击穿的特点,其禁带宽度是Si的3倍,击穿电场为Si的10倍;且其耐腐蚀性较强,在常温下可以免疫目前已知的所有腐蚀剂。
半导体材料是碳化硅最具前景的应用领域之一,碳化硅是目前发展最成熟的第三代半导体材料。随着生产成本的降低,SiC半导体正在逐步取代一、二代半导体。碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。在第三代半导体应用中,碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补,氮化镓半导体材料的市场应用领域集中在1000V以下,偏向中低电压范围,目前商业碳化硅半导体产品电压等级为600~1700V。
由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势,下游行业需求持续增加,有取代SiO2器件的趋势。
碳化硅半导体广泛应用于高端制造领域
众所周知,碳化硅半导体功率器件可以应用在新能源领域。“现在我们新能源汽车所用的电可能还有煤电,未来光伏发电就会占有更多比重,甚至全部使用光伏发电。”中科院院士欧阳明高曾在一次讨论会上这样说过,光伏需要新能源汽车来消费储能,而新能源汽车也需要完全的可再生能源。
下一步两者的结合将形成新的增长点。在欧阳院士提到的三种主要应用“光伏逆变器+储能装置+新能源汽车”中,碳化硅(SiC)MOSFET功率器件都是不可或缺的重要半导体器件。
1.光伏逆变器
国内著名光伏逆变器公司合肥阳光电源在2018年累计出货了超过15万台使用碳化硅功率器件的光伏设备,其中已经累计使用超过150万颗碳化硅功率器件。明确指出,使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗,显著提高开关频率,得到更高的效率和功率密度,并有效降低系统成本和运维成本。
2.充电桩
这里主要是指大功率直流充电桩,国内目前通常是60kW功率等级。国际著名电源模块公司台达电源,在某论坛上曾介绍了电动汽车的充电场景,并表示基于英飞凌碳化硅模块easy1B和2B的基础上,提出自有的多种应用拓扑图模式,成功地为欧盟350kW大功率充电站提供了全面解决方案。
3.新能源汽车
车载充电器:这里主要是指小功率交流充电器,输入电压为AC220V。目前国内该行业龙头企业比亚迪和欣锐科技都已经使用了碳化硅功率器件,并且取得了良好的产品性能和市场影响力。
电机驱动控制器:自从国际著名汽车公司日本丰田公司宣布与日本电装株式会社(DENSO)合作开发了全球第一款全碳化硅功率器件的电机驱动控制器后,国际国内相关企业都开展了深入的研究。美国著名公司特斯拉Tesla宣布在他的Model3车型使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。
4.智能电网
在高压电网传输过程中,通常会采用3kV以上功率器件,例如硅IGBT或者碳化硅MOSFET。美国UniversityofArkansas教授AlanMantooth研究指出,可以采用多颗1200VMOSFET串联起来的拓扑图应用方案用于承受10kV高电压。
5、第三代半导体
在第三代半导体应用中,碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补,氮化镓半导体材料的市场应用领域集中在1000V以下,偏向中低电压范围,目前商业碳化硅半导体产品电压等级为600~1700V。由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势,下游行业需求持续增加,有取代SiO2器件的趋势。