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在各种宽禁带半导体中，碳化硅（SiC）已经成为极具吸引力的材料，特别适用于高功率转换应用，包括电动汽车（EV）中的牵引逆变器和车载充电机，以及基础设施应用如直流快充、太阳能逆变器、储能和不间断电源（UPS）。碳化硅已批量生产一个多世纪，主要用作研磨材料。幸运的是，它也表现出出色的特性，适用于高电压、大功率应用。
图3：硅与宽禁带材料的特性
对于制造商而言，碳化硅被视为一种竞争利器，也是构建节能系统以及降低整体系统尺寸、重量和成本的机会。这是因为基于碳化硅的系统通常比基于硅的系统更节能、更小、更坚固，因此设计人员可以减小无源器件的尺寸和成本。更具体地说，由于碳化硅器件的发热量较低，因此对于特定的应用，其运行温度可以低于原方案。（图5）
图5：碳化硅应用优势
与硅相比，碳化硅的卓越性能为新兴的应用打开了大门。碳化硅器件的设计电压不低于650V，特别是在1200V以上时，碳化硅成为各种应用的最佳解决方案。诸如太阳能逆变器、电动汽车充电桩和工业交流到直流转换等应用，将在未来逐步迁移到碳化硅上。另一个应用是固态变压器，现有的铜和磁性变压器将将被替代。
虽然碳化硅具有巨大的市场机会，但其制造过程也面临着诸多挑战。这些挑战从确保原材料（技术上称为颗粒或碳化硅粉末）的纯度开始，到生成一致的碳化硅晶锭（图6），然后是在每个后续加工步骤中积累实际经验，以交付可靠的最终产品（图7）。
碳化硅的一个独特挑战在于该材料不存在液相，因此无法通过熔融法生长晶体。晶体生长必须在精细控制的压力下进行，这使其制造比硅更具挑战性。如果碳化硅在高温和低压下保持不变，它会在不经过液相的情况下分解成气态物质。
由于这一特性，碳化硅晶体的生长通常采用升华或物理气相传输（PVT）技术。碳化硅粉末被放置在炉内的坩埚中，加热至高温（超过2200°C），然后碳化硅升华并在晶种上结晶形成碳化硅晶体。采用这种方法生长材料的一个重要部分是晶种，其直径与晶锭相似。使用PVT法，生长速率非常慢，大约为每小时0.1-0.5毫米。
图6：碳化硅粉末、晶锭和晶圆
同样，由于碳化硅相对于硅的极端硬度，制造晶片的过程也更加具有挑战性。碳化硅是一种非常坚硬的材料，即使使用金刚石锯也难以切割。金刚石般的硬度不同于许多其他半导体材料。虽然存在几种将晶锭分离成晶片的方法，但这些方法可能会在单晶中引入缺陷。
图7：碳化硅从原材料到最终产品的制造过程
还有一些规模化挑战。与硅相比，碳化硅是一种缺陷较多的材料。碳化硅的掺杂是一个复杂的过程，而生产较大尺寸且缺陷更少的碳化硅晶圆，使得制造和加工成本居高不下。因此，从一开始确立良好的开发过程至关重要，以保持一致的高质量产出。尽管如此，8英寸的衬底开始进入市场，安森美（onsemi）也在为此助力。
图8：挑战–碳化硅晶圆和缺陷
幸运的是，企业在实现一致可靠的晶锭和晶圆方面投入了大量资金。还利用其在硅制造方面的经验，对方法论和基础材料科学进行了支撑。在发布产品到市场时，必须结合多个关键要素。
来源：安森美
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