【導讀】毋(wu)庸(yong)置(zhi)疑(yi)
，從(cong)社(she)會(hui)發(fa)展(zhan)的(de)角(jiao)度(du)，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)轉(zhuan)向(xiang)采(cai)用(yong)可(ke)持(chi)續(xu)的(de)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)。日(ri)益(yi)加(jia)劇(ju)的(de)氣(qi)候(hou)異(yi)常(chang)和(he)極(ji)地(di)冰(bing)蓋(gai)的(de)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)
，清(qing)楚(chu)地(di)證(zheng)明(ming)了(le)氣(qi)候(hou)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)的(de)日(ri)益(yi)加(jia)劇(ju)。但(dan)有(you)一(yi)個(ge)不(bu)幸(xing)的(de)事(shi)實(shi)是(shi)，擺(bai)脫(tuo)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)正(zheng)被(bei)證(zheng)明(ming)極(ji)其(qi)困(kun)難(nan)，向(xiang)綠(lv)色(se)技(ji)術(shu)的(de)轉(zhuan)變(bian)也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)。無(wu)論(lun)是(shi)生(sheng)產(chan)要(yao)跟(gen)上(shang)快(kuai)速(su)擴(kuo)張(zhang)的(de)市(shi)場(chang)步(bu)伐(fa)，還(hai)是(shi)新(xin)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)努(nu)力(li)達(da)到(dao)現(xian)有(you)係(xi)統(tong)產(chan)出(chu)水(shui)平(ping)
，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)要(yao)讓(rang)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)成(cheng)為(wei)過(guo)去(qu)，這(zhe)些(xie)難(nan)題(ti)都(dou)必(bi)須(xu)被(bei)克(ke)服(fu)。

圖 1：半導體對許多新興綠色科技至關重要

毋(wu)庸(yong)置(zhi)疑(yi)
，從(cong)社(she)會(hui)發(fa)展(zhan)的(de)角(jiao)度(du)
，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)轉(zhuan)向(xiang)采(cai)用(yong)可(ke)持(chi)續(xu)的(de)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)。日(ri)益(yi)加(jia)劇(ju)的(de)氣(qi)候(hou)異(yi)常(chang)和(he)極(ji)地(di)冰(bing)蓋(gai)的(de)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)，清(qing)楚(chu)地(di)證(zheng)明(ming)了(le)氣(qi)候(hou)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)的(de)日(ri)益(yi)加(jia)劇(ju)。但(dan)有(you)一(yi)個(ge)不(bu)幸(xing)的(de)事(shi)實(shi)是(shi)，擺(bai)脫(tuo)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)正(zheng)被(bei)證(zheng)明(ming)極(ji)其(qi)困(kun)難(nan)
，向(xiang)綠(lv)色(se)技(ji)術(shu)的(de)轉(zhuan)變(bian)也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)。無(wu)論(lun)是(shi)生(sheng)產(chan)要(yao)跟(gen)上(shang)快(kuai)速(su)擴(kuo)張(zhang)的(de)市(shi)場(chang)步(bu)伐(fa)，還(hai)是(shi)新(xin)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)努(nu)力(li)達(da)到(dao)現(xian)有(you)係(xi)統(tong)產(chan)出(chu)水(shui)平(ping)
，如(ru)果(guo)我(wo)們(men)要(yao)讓(rang)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)成(cheng)為(wei)過(guo)去(qu)
，這(zhe)些(xie)難(nan)題(ti)都(dou)必(bi)須(xu)被(bei)克(ke)服(fu)。

對於電動汽車（EV）和he太tai陽yang能neng電dian池chi板ban等deng應ying用yong

，工gong程cheng師shi麵mian臨lin著zhe更geng多duo的de挑tiao戰zhan，因yin為wei敏min感gan的de電dian子zi元yuan件jian必bi須xu在zai惡e劣lie的de環huan境jing中zhong持chi續xu可ke靠kao地di運yun行xing。為wei了le進jin一yi步bu推tui動dong這zhe些xie可ke持chi續xu解jie決jue方fang案an
，我wo們men需xu要yao在zai元yuan件jian層ceng麵mian進jin行xing創chuang新xin，以yi幫bang助zhu提ti高gao整zheng個ge係xi統tong的de效xiao率lv，同tong時shi提ti供gong更geng強qiang的de穩wen健jian性xing。碳tan化hua矽gui（SiC）半導體作為一種能夠實現這些必要進步的技術，正迅速成為人們關注的焦點。

什麼是碳化矽半導體？

作為第三代半導體技術的一部分，SiC解決方案具有寬禁帶（WBG）特(te)性(xing)，並(bing)提(ti)供(gong)了(le)更(geng)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)性(xing)能(neng)。與(yu)前(qian)幾(ji)代(dai)半(ban)導(dao)體(ti)相(xiang)比(bi)，價(jia)帶(dai)頂(ding)部(bu)和(he)導(dao)帶(dai)底(di)部(bu)之(zhi)間(jian)更(geng)大(da)的(de)禁(jin)帶(dai)增(zeng)加(jia)了(le)半(ban)導(dao)體(ti)從(cong)絕(jue)緣(yuan)到(dao)導(dao)電(dian)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)。相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)，第(di)一(yi)代(dai)和(he)第(di)二(er)代(dai)半(ban)導(dao)體(ti)轉(zhuan)換(huan)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)值(zhi)在(zai) 0.6 eV 至 1.5 eV 之間
，而第三代半導體的轉換所需的能量值在 2.3 eV 至 3.3 eV 之間。就性能而言，WBG 半導體的擊穿電壓高十倍，受熱能激活的程度也更低。這意味著更高的穩定性、更強的可靠性
、通過減少功率損耗實現更好的效率以及更高的溫度上限。

對於需要出色的高功率、高溫和高頻率性能的電動汽車和逆變器製造商來說，SiC 半導體代表著令人興奮的前景。但實際上，這種性能如何體現，半導體行業又如何做好準備以滿足潛在需求呢？

用於電動汽車的 SiC

在電動汽車及其配套充電網絡中
，高性能半導體是AC-DC充電站、DC-DC快速充電樁
、電機逆變器係統和汽車高壓直流至低壓直流變壓器的核心。SiC 半導體將致力於優化這些係統，提供更高的效率、更geng高gao的de性xing能neng上shang限xian和he更geng快kuai的de開kai關guan速su度du，從cong而er縮suo短duan充chong電dian時shi間jian，更geng好hao地di利li用yong電dian池chi容rong量liang。這zhe可ke以yi增zeng加jia電dian動dong汽qi車che的de續xu航hang裏li程cheng或huo縮suo小xiao電dian池chi體ti積ji，從cong而er減jian輕qing車che輛liang重zhong量liang和he並bing降jiang低di生sheng產chan成cheng本ben，同tong時shi提ti高gao性xing能neng，促cu進jin更geng廣guang泛fan的de普pu及ji。

盡(jin)管(guan)比(bi)內(nei)燃(ran)機(ji)驅(qu)動(dong)的(de)同(tong)類(lei)產(chan)品(pin)運(yun)行(xing)溫(wen)度(du)低(di)，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)對(dui)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)來(lai)說(shuo)仍(reng)然(ran)是(shi)一(yi)個(ge)極(ji)為(wei)嚴(yan)苛(ke)的(de)環(huan)境(jing)，熱(re)管(guan)理(li)是(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。對(dui)於(yu)許(xu)多(duo)早(zao)期(qi)的(de)矽(gui)和(he)絕(jue)緣(yuan)柵(zha)雙(shuang)極(ji)晶(jing)體(ti)管(guan) (IGBT) 器件來說
，電動汽車內的運行條件可能會導致其在車輛使用壽命內發生故障。碳化矽解決方案的熱極限要高得多
，熱傳導率平均高出 3 倍，因此更容易將熱量傳遞到周圍環境中。這就提高了可靠性，降低了冷卻要求，進一步減輕了重量並消除了封裝方麵的顧慮。

碳tan化hua矽gui技ji術shu所suo帶dai來lai的de峰feng值zhi額e定ding電dian壓ya和he浪lang湧yong電dian容rong的de提ti高gao，也ye為wei旨zhi在zai縮suo短duan充chong電dian時shi間jian和he減jian輕qing汽qi車che重zhong量liang的de製zhi造zao商shang提ti供gong了le支zhi持chi。通tong常chang情qing況kuang下xia，大da多duo數shu電dian動dong汽qi車che基ji礎chu設she施shi的de電dian壓ya範fan圍wei在zai 200 V 至 450 V 之間，但汽車製造商正在通過將電壓範圍提高到 800 V 來進一步提高性能。首款實現這一轉變的是高端車型保時捷 Taycan

，但越來越多的製造商正在效仿現代汽車最近發布的 Ioniq 5，該車目前采用 800 V 充電電壓
，而且零售價大大降低。

但這一轉變背後的原因是什麼呢？800 V 係統具有多種優勢，例如充電時間更快、電纜尺寸減小（由於電流更小）yijidaotongsunhaojianshao

，suoyouzhexiedouyouzhuyujieshengshengchanchengbenbingtigaoxingneng。muqian
，kuaisuchongdianxitongyilaiyuangguideshuilengdianlan，erzhezhongdianlankeyibeitaotai，tongshi，zaicheliangneibu，jiaoxiaoguigededianlankeyidadajianqingzhongliang
，zengjiacheliangdexuhanglicheng。duiyixiezhizaoshangeryan，yaoxianghuodesuoxudexingnengtishengyishuofuxiaofeizhecaiyongdiandongqiche，jiubixujiangdianyatishengdao 800 V，但dan這zhe一yi發fa展zhan隻zhi有you通tong過guo使shi用yong碳tan化hua矽gui半ban導dao體ti才cai能neng實shi現xian。現xian有you的de第di二er代dai半ban導dao體ti根gen本ben不bu具ju備bei在zai電dian動dong汽qi車che及ji其qi充chong電dian基ji礎chu設she施shi的de惡e劣lie環huan境jing中zhong以yi如ru此ci高gao電dian壓ya工gong作zuo所suo需xu的de性xing能neng和he可ke靠kao性xing。

可持續發電用碳化矽

除電動汽車外
，新一代碳化矽半導體的性能還將惠及更多不斷增長的行業。可再生能源正在迅速擴張，因此依賴於半導體技術的太陽能/風能發電場逆變器及分布式儲能解決方案（ESS）預計將迎來複合年增長率（CAGR）分別為13%和17%的快速增長。（來源：《2022-2026年全球太陽能集中式逆變器市場報告》）

與電動汽車行業中提高車輛電壓類似，SiC 技術也使太陽能發電場能夠提高組串電壓。現有裝置的工作電壓通常在 1000 V 至 1100 V 之間，但采用 SiC 半導體的新型集中逆變器的工作電壓可達 1500 V。這樣就可以減少組串電纜的尺寸（因為電流更低）和(he)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)數(shu)量(liang)。因(yin)為(wei)每(mei)台(tai)設(she)備(bei)都(dou)可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)更(geng)多(duo)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)
，作(zuo)為(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)電(dian)場(chang)中(zhong)一(yi)項(xiang)較(jiao)大(da)的(de)硬(ying)件(jian)支(zhi)出(chu)
，減(jian)少(shao)逆(ni)變(bian)器(qi)數(shu)量(liang)和(he)電(dian)纜(lan)尺(chi)寸(cun)可(ke)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)整(zheng)體(ti)項(xiang)目(mu)成(cheng)本(ben)。

SiC技術為可再生能源應用帶來的好處不僅限於支持更高的電壓。例如，安森美（onsemi）的 1200 V EliteSiC M3S MOSFET 與行業領先的競爭對手相比，在光伏逆變器等硬開關應用中可減少高達 20% 的功率損耗。如果考慮到運營規模（僅在歐洲就有 208.9 GW的太陽能發電場），這種節省就會產生相當大的影響。(來源：2022-2026 年全球集中式光伏逆變器市場報告）

jiukekaoxingeryan，taiyangnengfadianchanghehaishangfenglifadianduidianqiyuanjianeryanshijijutiaozhanxingdehuanjing，erzhengshizaizhexiehuanjingzhong，tanhuaguijishujiangzaicichaoyuexianyoujiejuefangan。tongguozhichigenggaodewendu、電壓和功率密度，工程師可以設計出比現有矽解決方案更可靠
、更小、更geng輕qing的de係xi統tong。逆ni變bian器qi的de外wai殼ke可ke以yi縮suo小xiao，周zhou圍wei的de許xu多duo電dian子zi和he熱re管guan理li元yuan件jian也ye可ke以yi省sheng去qu。而er碳tan化hua矽gui支zhi持chi更geng高gao頻pin率lv運yun行xing
，可ke使shi用yong更geng小xiao的de磁ci體ti，從cong而er進jin一yi步bu降jiang低di了le係xi統tong成cheng本ben、重量和尺寸。

半導體生產麵臨的挑戰

很明顯，對於電動汽車和可持續能源發電而言，SiC 半導體在幾乎所有方麵都代表著一種進步。使用良好的碳化矽 MOSFET 和(he)二(er)極(ji)管(guan)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)

，同(tong)時(shi)減(jian)少(shao)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)的(de)考(kao)慮(lv)，並(bing)在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)降(jiang)低(di)整(zheng)個(ge)項(xiang)目(mu)的(de)成(cheng)本(ben)。但(dan)是(shi)，與(yu)任(ren)何(he)先(xian)驅(qu)技(ji)術(shu)一(yi)樣(yang)

，將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)巨(ju)大(da)的(de)需(xu)求(qiu)。許(xu)多(duo)電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)師(shi)麵(mian)臨(lin)的(de)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)是(shi)
，SiC 製造是否已做好廣泛采用的準備，以及隨著數量的增加

，生產是否仍然可靠。

conggenbenshangshuo，tanhuaguimianlindezhuyaowentizhiyishiqizhibeiguocheng。tanhuaguizaitaikongzhongdaliangcunzai，danzaidiqiushangquefeichangxishao。yinci，tanhuaguixuyaozaishimodianluzhongyi 1600°C 至 2500°C dewendujiangguishahetanhecheng。zheyiguochenghuishengchengtanhuaguijingtikuai，ranhouxuyaojinyibujiagong，zuizhongxingchengtanhuaguibandaoti。meigeshengchanbuzhoudouxuyaojiqiyangedezhiliangkongzhi，yiquebaozuizhongchanpinfuheyangedeceshibiaozhun。weilebaozhengzhiliang
，ansenmeicaiyongleyizhongdutedefangfa。zuoweiyeneiweiyiyijiaduandaoduantanhuaguizhizaoshang，tamenzhangwozhecongchendidaozuizhongmokuaidemeiyigeshengchanbuzhou（圖 2）。

圖 2：安森美的端到端碳化矽生產

在(zai)他(ta)們(men)的(de)工(gong)廠(chang)中(zhong)，矽(gui)和(he)碳(tan)在(zai)熔(rong)爐(lu)中(zhong)結(jie)合(he)，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)數(shu)控(kong)機(ji)床(chuang)加(jia)工(gong)成(cheng)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)圓(yuan)盤(pan)，再(zai)切(qie)成(cheng)薄(bo)晶(jing)圓(yuan)片(pian)。根(gen)據(ju)所(suo)需(xu)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)，在(zai)將(jiang)晶(jing)片(pian)切(qie)割(ge)成(cheng)單(dan)個(ge)裸(luo)片(pian)並(bing)封(feng)裝(zhuang)之(zhi)前(qian)，會(hui)生(sheng)長(chang)出(chu)特(te)定(ding)的(de)外(wai)延(yan)晶(jing)片(pian)層(ceng)（圖 3）。通過從頭到尾控製整個流程
，安森美已經能夠創建一個非常有效的生產係統，為日益增長的碳化矽需求做好準備。

圖 3：碳化矽外延晶片層

盡管安森美利用了其在矽基技術生產中獲得的經驗，但要保證最終產品的高質量和穩健性，SiC cailiaohaimianlinxuduoteyoudetiaozhan。liru
，weileshengchanchukekaodezuizhongchanpin
，xuyaochaoyueweiguijishushejidexianyouxingyebiaozhundexuduofangmian。tongguoyudaxueheyanjiuzhongxindeguangfanhezuo，ansenmeideyiquedingtanhuaguizaigezhongtiaojianxiadetexinghekekaoxing。yanjiuchengguoshiyitaoquanmiandezonghefangfa，keyingyongyuansenmeisuoyoudeSiC生產工藝中。

碳化矽--適時的正確技術？

要使可持續技術對現實世界產生必要的影響
，幫助我們實現全球氣候目標

，能效、可靠性和成本效益是關鍵因素。過去要找到能同時滿足這三個目標的元件級解決方案幾乎是不可能的，但對於許多應用來說
，這正是SiC技術所能提供的。雖然全球供應短缺在一定程度上延緩了碳化矽半導體的普及
，但很明顯，我們現在將看到該技術的快速發展。

大規模采用SiC仍將麵臨一些挑戰，例如半導體廠商要跟上需求的步伐
，並確保可靠性。但通過合作和研究（如安森美所開展的研究），業界應能確保保持高標準並優化製造效率。在部署方麵，重要的是要記住第一代和第二代半導體仍有其用武之地。對於一些邏輯IC和射頻芯片等應用，SiC 的高性能可能並不適用
，但對於電動汽車和太陽能等應用
，SiC 技術將被證明是具變革性的。

（作者： 安森美市場營銷工程師，Didier Balocco）

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