比較最後更新 2026年10月8日

SiC與矽(Si)的差異

矽是半導體產業的標準材料,不只用於邏輯與記憶體,在功率半導體中也以IGBT與MOSFET的形式大量使用。近年隨著電動車普及而快速擴大採用的,是SiC(碳化矽)。以下並列兩種材料的物理特性數值,說明SiC在功率半導體上佔優勢的原因,並整理晶圓與製程的差異,以及依耐壓範圍的選用方式。元件之間的比較請參考SiC MOSFET與IGBT的差異,與同為寬能隙材料的比較請一併參考SiC與GaN的差異。

Verdict結論

最大的差異在於「耐受高電壓的特性」。SiC的能隙約3.3eV,約為矽(約1.1eV)的3倍,崩潰電場約為10倍,因此能以較薄的漂移層做出相同耐壓的元件,大幅降低導通電阻與損耗。熱傳導率也約為矽的3倍,耐高溫操作,有助於電動車逆變器與快速充電器連同散熱系統整體縮小。另一方面,SiC晶圓的晶體成長速度慢、缺陷也容易殘留,因此尺寸以150mm為主,小於矽(300mm),價格也較昂貴。基本的選用原則是:耐壓600V左右以下或重視成本的用途使用矽,高耐壓且降低損耗價值大的用途使用SiC。

主要差異

SiC(4H-SiC)與矽(Si)依比較面向比較
比較面向SiC(4H-SiC)矽(Si)
能隙約3.26eV約1.12eV
崩潰電場約2.8MV/cm(約為矽的10倍)約0.3MV/cm
熱傳導率約4.9W/(cm·K)約1.5W/(cm·K)
電子遷移率(塊材)約1,000cm²/(V·s)約1,400cm²/(V·s)
主流晶圓尺寸150mm(正轉向200mm)300mm(功率用途也常用200mm)
晶體成長昇華法(2,000℃以上),成長慢、缺陷容易殘留以CZ法有效率地拉出大尺寸、低缺陷的晶體
摻雜幾乎不會發生熱擴散,需要高溫離子佈植與1,600℃以上的活化退火離子佈植與1,000℃左右的退火,也可使用熱擴散
加工性非常硬,切割、研削與研磨耗時加工技術成熟
主要功率元件SiC MOSFET、SiC蕭特基二極體IGBT、超接面MOSFET、各類二極體
擅長的耐壓範圍650V~3.3kV左右數十V~600V左右(IGBT也可對應數kV的高耐壓)

高耐壓為何能轉化為低損耗

功率元件在關閉狀態下必須承受高電壓,在導通狀態下則須以低損耗讓電流通過。承受高電壓的是稱為漂移層、摻雜濃度較低的區域。材料的崩潰電場越高,就能以越薄、且摻雜濃度越高的漂移層承受相同電壓。漂移層越薄、濃度越高,電流通過時的電阻就越小,因此崩潰電場約10倍的SiC,相較於相同耐壓的矽元件,理論上可將漂移層電阻降低2個數量級以上。這就是SiC能減少電力轉換損耗的根本原因。

在切換與高溫操作上的優勢

以矽實現高耐壓的IGBT,雖然同時利用電子與電洞來降低電阻,但關閉時殘留的載子在排出之前電流會持續流動,形成尾電流,使切換損耗變大。SiC即使在高耐壓下也能使用單極型的MOSFET,幾乎不會產生這種損耗,可在高頻下操作。提高頻率可以縮小電感與電容,進而讓整個裝置小型化。此外,能隙寬使漏電流在高溫下也不易增加,熱傳導率高則容易散熱,因此可以簡化散熱系統。

晶圓昂貴且尺寸小的原因

矽單晶以從熔液中拉晶的CZ法,可有效率地製作直徑300mm的低缺陷晶體。SiC在常壓下不會熔化而是直接昇華,因此要在超過2,000℃的高溫下使SiC原料昇華,再於晶種上重新結晶,以昇華法(改良Lely法)成長晶體。成長速度比矽慢上好幾個數量級,微管與基面差排等晶體缺陷也容易殘留,因此大尺寸化與良率提升都需要時間。再加上SiC非常硬,晶錠的切割與研磨也很耗時。基於這些原因,SiC晶圓比同面積的矽晶圓昂貴許多。

製程的差異

SiC中的雜質幾乎不會熱擴散,因此pn接面的形成仰賴離子佈植。為了抑制佈植造成的晶格損傷,需要在晶圓加熱到數百℃的狀態下佈植,之後再以超過1,600℃的高溫進行活化退火,必須使用專用設備。此外,SiC經熱氧化形成的閘極氧化層,介面容易殘留源自碳的缺陷,導致MOSFET的通道遷移率遠低於矽,這是一大課題。基面差排若延伸到磊晶層,也會成為通電時特性劣化的雙極劣化原因,因此在磊晶成長階段的缺陷控制也很重要。

總結(該選哪一種)

耐壓在600V左右以下、重視成本的用途,採用成熟的矽MOSFET或IGBT較為合理。像電動車驅動用逆變器、快速充電器、太陽能發電的功率調節器這類需要高耐壓、又想減少損耗與裝置尺寸的用途,則以SiC較有利。判斷的關鍵在於,SiC元件較高的價格能否藉由降低損耗,以及散熱系統與被動元件的小型化來回收。

常見問題

SiC會取代矽嗎?
不會全面取代。邏輯與記憶體以矽為前提,在功率半導體中,中低耐壓或重視成本的用途也仍以矽為主流。SiC正在取代的,是電動車逆變器等高耐壓、降低損耗價值大的領域。
4H-SiC是什麼?
SiC有許多原子堆疊方式不同的晶體結構(多型),4H-SiC是其中之一。由於電子遷移率高,且隨方向不同的差異也小,功率元件主要使用4H-SiC。
SiC晶圓的主要廠商有哪些?
Wolfspeed、Coherent、羅姆(ROHM)集團旗下的SiCrystal、意法半導體(STMicroelectronics)等是主要廠商,中國企業也正快速擴大生產。元件廠商也有從基板開始一貫化生產的動向。
有哪些日本企業生產SiC元件?
羅姆、三菱電機、富士電機、東芝、電裝(DENSO)等都有生產SiC功率元件,在鐵道車輛、工業設備與電動車用途上累積實績。

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