Карбид кремния (SiC), являясь основным материалом полупроводников третьего поколения, кардинально меняет многие области благодаря своим превосходным физическим и электрическим свойствам. В следующей таблице для краткого обзора представлены его основные области применения и преимущества:
Области применения Основные сценарии применения Преимущества карбида кремния (SiC) Примеры смежных технологий/продуктов
Новые энергетические транспортные средства Главный инвертор привода, бортовое зарядное устройство (OBC), DC-DC преобразователь Повышение эффективности, увеличение дальности поездки (по имеющимся данным до 6% 8), а также снижение веса и объема системы Гибридные модули SiC1, SiC MOSFET
Зарядная инфраструктура Станции быстрой зарядки постоянного тока Повышение эффективности зарядки, поддержка мощной быстрой зарядки и сокращение времени зарядки
Фотоэлектрическая генерация энергии и накопление энергии Фотоэлектрические инверторы, преобразователи накопления энергии (PCS) Повышение эффективности фотоэлектрического преобразования (по имеющимся данным, диоды SiC могут увеличить эффективность на 1,5–2 % по сравнению с системами на основе кремния 6), снижение потерь в системе и увеличение плотности мощности Диоды SiC6, SiC MOSFET
Промышленные источники питания и центры обработки данных Источники питания серверов, источники питания для телекоммуникаций, источники бесперебойного питания (ИБП) Повышение энергоэффективности, увеличение плотности мощности и снижение потребления энергии и выделения тепла Требования к рассеиванию мощности 650-вольтового SiC MOSFET 5G от Toshiba
Устройства связи и РЧ-устройства РЧ-усилители мощности, фильтры и т. д. Полуизолирующие РЧ-полупроводниковые приборы на основе карбида кремния с превосходными характеристиками в области высоких частот, высоких температур и высокой мощности.
Умные носимые устройства и дополненная реальность/оптические волноводы: дифракционные волноводы для очков дополненной реальности и сверхтонких линз. Высокий показатель преломления, высокая твёрдость и высокая теплопроводность обеспечивают широкое поле зрения, полноцветную визуализацию, устраняют оптические артефакты и способствуют уменьшению толщины и веса устройств (например, линзы дополненной реальности толщиной 0,55 мм), а также снижению стоимости (ожидается значительное снижение стоимости подложек в будущем). Высокочистые полуизолирующие подложки из 12-дюймовых слитков карбида кремния и сверхтонкие дифракционные волноводы из карбида кремния.
Железнодорожный транспорт и интеллектуальные сети: тяговые преобразователи, силовые электронные трансформаторы (ПЭТ) и высоковольтные линии передачи постоянного тока. Высокое выдерживаемое напряжение и низкие потери повышают эффективность и надежность системы.
Основные типы устройств из карбида кремния
Карбид кремния в основном используется в полупроводниковой промышленности для производства следующих устройств, которые являются основой для вышеупомянутых применений:
МОП-транзисторы на основе карбида кремния (МОП-транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник): особенно подходят для высокочастотных, высоковольтных и высокоэффективных приложений, таких как основные инверторы новых энергетических транспортных средств. Современные технологии обеспечивают низкое сопротивление открытого канала (например, платформа SiC МОП третьего поколения компании Yangjie Technology имеет сопротивление открытого канала менее 3,33 мОм·см³) и работу в условиях высоких температур (например, МОП-транзисторы CoolSiC™ серии G2 компании Infineon могут работать при температуре 175 °C в нормальном режиме и 200 °C в условиях перегрузки).
Диоды из карбида кремния (в первую очередь диоды с барьером Шоттки (SBD)): практически не имея обратного тока восстановления, они особенно хорошо подходят для высокочастотных коммутационных приложений, таких как фотоэлектрические преобразователи и бортовые зарядные устройства, значительно снижая потери при коммутации.
Модули из карбида кремния: несколько кристаллов из карбида кремния (например, МОП-транзисторы и диоды) интегрируются и собираются в силовой модуль. Например, главный модуль привода для автомобилей на новых источниках энергии (NEV) обладает такими преимуществами, как более высокая плотность мощности и повышенная надежность.
🔧 Основные преимущества карбида кремния
Способность карбида кремния совершать эти революции обусловлена его исключительными свойствами материала:
Высокая напряженность поля пробоя: это позволяет устройствам из карбида кремния работать при более высоких напряжениях, что делает их пригодными для высоковольтных применений.
Высокая теплопроводность: способствует отводу тепла, что позволяет устройствам работать при более высоких температурах и упрощает системы охлаждения.
Высокая скорость дрейфа электронов при насыщении: позволяет устройствам SiC работать на более высоких частотах, тем самым уменьшая размер и вес пассивных компонентов (таких как индукторы и конденсаторы) в системе.
Широкая запрещенная зона: обеспечивает SiC-устройствам превосходную высокотемпературную стабильность и стойкость к радиации.
🌐 Текущее состояние развития отрасли SiC
Индустрия SiC переживает быстрый рост и расширение:
Продолжающийся рост рынка: ожидается, что к 2030 году объем рынка силовых устройств на основе SiC превысит 10,3 млрд долларов США, а среднегодовой темп роста (CAGR) превысит 20% в течение следующих пяти лет.
Усовершенствование технологий: Размер пластин изменяется с обычных 6 дюймов до 8 дюймов (что может снизить себестоимость единицы продукции более чем на 30%) и 12 дюймов.
Постепенное совершенствование производственной цепочки: отечественные компании активно развиваются и добиваются прогресса в области подложек, эпитаксии, проектирования и производства устройств, а также корпусирования модулей.
Тенденции стоимости: Благодаря улучшению качества материалов, увеличению размеров пластин, совершенствованию производственных процессов и расширению масштабов промышленности стоимость устройств из карбида кремния постепенно снижается, что открывает путь для их широкомасштабного применения в более широком спектре областей.
💎 Резюме
Благодаря своим превосходным физическим и электрическим свойствам, полупроводники из карбида кремния становятся ключевым фактором инноваций и модернизации в области новых источников энергии для транспортных средств, возобновляемой энергетики, промышленных источников питания, связи 5G и потребительской электроники. Хотя текущая стоимость производства устройств из карбида кремния (особенно МОП-транзисторов) относительно высока, а требования к процессу строгие, благодаря постоянному технологическому прогрессу, развитию отрасли и расширению производства ожидается дальнейшее снижение затрат, а перспективы их применения многообещающие.