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碳化硅(SiC)在各行業的應用已經有數百年歷史。如今，它作為半導體材料比以往任何時候都更受市場的歡迎，這主要得益于它在工業領域的廣泛應用。


碳化硅(SiC)在各行業的應用已經有數百年歷史。如今，它作為半導體材料比以往任何時候都更受市場的歡迎，這主要得益于它在工業領域的廣泛應用。
在本文中，我們將探討SiC為什么會突然流行，哪些化學特性支撐它成為如此好的工業應用材料，以及有哪些應用在推動SiC需求的增長。
關于SiC的一些概念
SiC在電子領域中的應用，可以追溯到20世紀初，但直到20世紀90年代，它作為半導體材料的應用，才真正開始受到業界的重視。也正是在這個時間點，SiC首次被用做肖特基二極管、場效應晶體管和MOSFET。SiC的化學特性使其特別擅長處理高頻、高功率和高溫負載。只不過，即使是到了2022年，碳化硅晶圓的生產仍然非常困難，這導致它的普及進度十分緩慢。
在自然界中，SiC是一種極其罕見的物質，它主要存在于隕石的殘余物中。當然，SiC也可以被人工合成，只是存在邊緣錯位、三角形缺陷等問題，這阻礙了SiC半導體的商業化進程。盡管SiC適用于許多潛在應用，但目前落地的應用還相對較少。
SiC是寬禁帶半導體材料，比傳統硅這類半導體材料有更大的能量差，具備更高的熱導性能和電子性能，這些特性讓SiC材料成為高功率、高溫和高頻應用的明星。事實上，相較于硅半導體器件，SiC器件的介電擊穿強度可高10倍以上、能帶隙和導熱系數大3倍以上。這些性能優勢可以提高系統整體效率、功率密度，降低系統損耗。
如前文所述，SiC半導體材料來應用已為人所知，但因生產困難使得普及速度緩慢。現在，Wolfspeed、Infineon(英飛凌)、onsemi(安森美)等企業改進了SiC的制造工藝，這基本上讓“擔心SiC器件質量問題”的質疑成為過去式。
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哪些應用在推動SiC的發展？
目前，具有SiC專業知識的半導體制造商，發現自己正處于非常有利的位置。制造工藝顯著改進，提高了SiC的產量和可靠性。同時，對SiC材料性能要求更高的應用迅速增加，SiC設備市場也正以驚人的速度增長。
讓我們看看SiC正在哪些行業站穩腳跟。
·電動汽車
SiC半導體增長最快的市場是電動汽車及其充電系統。SiC是當前電機驅動的最優選擇，不僅適用于電動汽車，也適用于電動火車。
電機驅動系統通常要求體積更小、重量更輕，SiC具備高性能尺寸比、可幫助系統減少尺寸和降低重量，這是提高電動汽車效率的關鍵因素。
另外，SiC也適用于車載充電系統應用。眾所周知，阻礙電動汽車普及的最大障礙是充電時間過久，制造商正在尋找縮短充電時間的方法——在很多人看來這個方法就是SiC。在非車載充電解決方案中使用SiC功率器件，通過利用SiC的快速開關速度和高功率傳輸性能，電動汽車充電站運營商把汽車充電時間縮短了2倍以上，為電動汽車消費者提供了更好的充電性能。
·數據中心和不間斷電源
許多企業正在考慮進行數字化轉型，數據中心在垂直領域的作用也越來越大。數據中心可充當各種關鍵任務數據的中樞神經系統，對持續地改善和優化業務運營至關重要，不過這也付出了相應的代價——數據中心的運營需要消耗大量的電力。
據國際能源署(IEA)估計，數據中心消耗了全球1%的電力，這還不包括加密貨幣挖礦所消耗的電力。這種能源消耗的重要驅動因素之一是——維持數據中心設備溫度所消耗的電力，比如空調和風扇系統需要每時每刻都運行。
SiC材料具有更高的熱效率，能夠在不犧牲性能的情況下運行冷卻器。據Wolfspeed介紹，使用了SiC器件的電源具有更好的熱性能，可節省多達40%的冷卻能源成本。此外，隨著功率密度的提升，使用SiC器件能助力數據中心運營商，能在更小的空間中安裝更多的服務器設備。
數據中心另一個重要組成部分是不間斷電源(UPS)，它有助于確保系統即使在停電時也能正常運行。SiC因其可靠性、高效率特性，以及可提供低損耗清潔電力，在UPS設計中占有一席之地。UPS把直流電源轉換為交流電源時會出現損耗——這種損耗縮短了UPS的后備電源時間。SiC有助于減少這些損耗，從而增加UPS蓄電池容量。由于SiC具備更高的功率密度，UPS系統可在不增加占地面積的情況下提供更高的性能，這是數據中心服務商在空間受限條件下的關鍵考慮因素。
SiC是未來主流的半導體材料
整個市場對電動汽車、數據中心的需求日益增長，以支持物聯網、軟件和其他數據密集型運營所產生的數據，SiC毫無疑問將是未來主流的半導體材料。
同時，制造商也開始擴大SiC產品的供應，生產工藝也在不斷改進、成本不斷降低。隨著相關應用的增長，未來幾年內SiC仍將是半導體設計的關鍵部分。