隨著近年來美國對我國半導體產(chǎn)業(yè)的重重禁運封鎖廣泛報道，大家對第二代半導體中的硅基半導體，也已經(jīng)有很多了解。而今天，我們要談的，是下一代，即第三代半導體中的一種重要材料——碳化硅。

 
 
  碳化硅（SiC），與氮化鎵（GaN）、金剛石、氧化鋅（ZnO）等一起，屬于第三代半導體。碳化硅等第三代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨特的性能。用這種特性制造的電力或電子元件，體積更小、傳輸速度更快、可靠性更高，耗能更低，[敏感詞]可以降低50%以上的能量損失，積減小75%左右。特別重要的是，三代半導體可以在更高的溫度、電壓和頻率下工作。  
  因此，碳化硅等第三代半導體，在半導體照明光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件、太陽能電池和生物傳感器等其他器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力。在軍用方面，SiC主要用于大功率高頻功率器件。  
  碳化硅半導體的生產(chǎn)步驟包括單晶生長、外延層生長以及器件/芯片制造，分別對應襯底、外延和器件/芯片。后文會圍繞這三個方面，對碳化硅產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化發(fā)展進行討論。  
  對應碳化硅的襯底的2種類型，即導電型碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底。在導電型碳化硅襯底上，生長碳化硅外延層，可以制得碳化硅外延片，進一步制成功率器件，主要應用于新能源汽車等領(lǐng)域；在半絕緣型碳化硅襯底上，生長氮化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成微波射頻器件，應用于5G通訊等領(lǐng)域。  
         

碳化硅襯底

 
  碳化硅襯底生產(chǎn)的國外核心企業(yè)，主要是美國CREE，美國 II-VI，和日本昭和電工，三者合計占據(jù)75%以上的市場。技術(shù)上，正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過渡，8 英寸硅基襯底在研。  
  國內(nèi)的生產(chǎn)商主要是天科合達、山東天岳、河北同光晶體、世紀金光、中電集團2所等。國內(nèi)碳化硅襯底以3-4英寸為主，天科合達的4英寸襯底已達到世界先進水平。2019 國內(nèi)主要企業(yè)導電型SiC襯底折合4英寸產(chǎn)能約為50萬片/年，半絕緣SiC襯底折合4英寸產(chǎn)能約為寸產(chǎn)能約為20萬片/年。其中，中電科2所于2018年在國內(nèi)率先完成4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底材料的工程化，到2020年，其山西碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地已經(jīng)實現(xiàn)SiC的4英寸晶片的大批量產(chǎn)。  
  國內(nèi)6英寸襯底研發(fā)也已經(jīng)陸續(xù)獲得突破，進入初步工程化準備和小批量產(chǎn)的階段：  
  2017年，山東天岳自主開發(fā)了全新的高純半絕緣襯底材料，其4H導電型碳化硅襯底材料產(chǎn)品已經(jīng)達到6英寸，還自主開發(fā)了6英寸N型（導電型）碳化硅襯底材料。  
  2018年，中電科2所也完成了6英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的研發(fā)。  
  同樣在2018年，天科合達研制出6英寸碳化硅晶圓。此外，河北同光也在近年研發(fā)成功了6英寸碳化硅襯底。  
  2018年12月19日，三安集成宣布已完成了商業(yè)版本的6英寸碳化硅晶圓制造技術(shù)的全部工藝鑒定試驗。并將其加入到代工服務組合中。  
  2020年07月19，三安光電在長沙的第三代半導體項目開工，主要用于研發(fā)、生產(chǎn)及銷售6英寸SIC導電襯底、4吋半絕緣襯底、SIC二極管外延、SiC MOSFET外延、SIC二極管外延芯片、SiC MOSFET芯片、碳化硅器件封裝二極管、碳化硅器件封裝MOSFET。  
  2017年7月，中科節(jié)能與青島萊西市、國宏中晶簽訂合作協(xié)議，投資建設碳化硅長晶生產(chǎn)線項目。該項目總投資10億元，項目分兩期建設，一期投資約5億元，預計2019年6月建成投產(chǎn)，建成后可年產(chǎn)5萬片4英寸N型（導電型）碳化硅晶體襯底片和5千片4英寸高純度半絕緣型碳化硅晶體襯底片；二期投資約5億元，建成后可年產(chǎn)5萬片6英寸N型（導電型）碳化硅晶體襯底片和5千片4英寸高純度半絕緣型碳化硅晶體襯底片。  
  從上述消息看，國內(nèi)6英寸的半絕緣型和導電型襯底都已經(jīng)有了技術(shù)基礎(chǔ)，至少四家在未來幾年可以啟動工程化和大規(guī)模批產(chǎn)了，如果速度夠快，將基本追平發(fā)達國家的商業(yè)化速度。  
  最讓人關(guān)注的，是2020年10月6日發(fā)布的消息，山西爍科的碳化硅8英寸襯底片研發(fā)成功，即將進入工程化。今后，我國將形成4英寸為主體，6英寸為骨干，8英寸為后繼的碳化硅襯底發(fā)展局面，將基本追平發(fā)達國家的技術(shù)研發(fā)速度。值得注意的是，山西爍科的[敏感詞]大持股人是中電科半導體，持股63.75%，第四大持股人是中電科5所，持股9.54%。因此屬于國家隊的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化機構(gòu)。  
         

碳化硅外延片

 
  碳化硅外延片生產(chǎn)的國外核心企業(yè)，主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機，德國的Infineon 等為主。其中，美國公司就占據(jù)全球70-80%的份額。技術(shù)上也在向6英寸為主的方向過渡。  
  國內(nèi)碳化硅外延片的生產(chǎn)商，主要瀚天天成、東莞天域、國民技術(shù)子公司國民天成、世紀金光，以及國字號的中電科13所和55所。目前國內(nèi)外延片也是以提供4英寸的產(chǎn)品為主，并開始提供6英寸外延片。2019 SiC外延片折算6英寸產(chǎn)能約為20萬片/年。  
  這其中，最重要的是瀚天天成公司。該公司已經(jīng)形成3英寸、4英寸以及6英寸的完整碳化硅半導體外延晶片生產(chǎn)線，并滿足600V、1200V、1700V器件制作的需求。2014年5月29日，瀚天天成首批產(chǎn)業(yè)化的6英寸碳化硅外延晶片在廈門火炬高新區(qū)投產(chǎn)，并交付[敏感詞]筆商業(yè)訂單產(chǎn)品，成為國內(nèi)[敏感詞]提供的商業(yè)化6英寸碳化硅外延晶片。  
  東莞天域公司則在2012年就實現(xiàn)了年產(chǎn)超2萬片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的產(chǎn)業(yè)化能力，目前也可提供6英寸碳化硅外延晶片。  
  國民技術(shù)在2017年8月15日發(fā)布公告，投資監(jiān)理成都國民天成化合物半導體有限公司，建設和運營6英寸第二代和第三代半導體集成電路外延片項目，項目首期投資4.5億元。  
         

碳化硅器件

 
  碳化硅器件生產(chǎn)的國外核心企業(yè)，是市占率18.5%的德國英飛凌Infineon，和以安森美領(lǐng)銜的第二梯隊，包含意法半導體、三菱電機、東芝、威世半導體、富士電機、瑞薩科技、羅姆、賽米控等美日歐大型半導體IDM企業(yè)。國際上600-1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下。  
  隨后是臺系和陸系企業(yè)如，陸系如IDM企業(yè)楊杰電子、、蘇州能訊高能半導體、株洲中車時代、中電科55所、中電科13所、泰科天潤、世紀金光；Fabless有上海瞻芯、瑞能半導體，F(xiàn)oundry有三安光電；模組方面，的嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣，等等。  
  在器件的產(chǎn)線技術(shù)水平上，中車時代、世紀金光、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、中電55所的6英寸SiC功率器件線已經(jīng)啟動，國內(nèi)已有四條6英寸SiC中試線相繼投入使用。其中，中車時代6寸SiC SBD、PiN、MOSFET等器件的研發(fā)與制造，都做得有聲有色。  
  2016年12月， 芯光潤澤第三代半導體碳化硅功率模塊產(chǎn)業(yè)化項目正式開工建設。2018年9月，芯光潤澤的國內(nèi)首條碳化硅 IPM器件產(chǎn)線廈門正式投產(chǎn)  
  深圳基本依靠獨有的3D SiCTM技術(shù)，基本半導體碳化硅功率器件性能達到國際先進水平，可廣泛應用于新能源發(fā)電、新能源汽車、軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。  
  揚杰科技的器件產(chǎn)品包括功率二極管、整流橋、肖特基二極管和MOSFET。其4英寸線已經(jīng)擴產(chǎn)一倍，6英寸線產(chǎn)線2018年底滿產(chǎn)。同時公司戰(zhàn)略布局8寸線IGBT芯片和IPM模塊業(yè)務等高利潤產(chǎn)品，多產(chǎn)品線協(xié)同發(fā)展助力公司提升在功率器件市場份額。  
  2018年5月， 上海瞻芯制造的[敏感詞]片國產(chǎn)6英寸碳化硅MOSFET器件晶圓面世。晶圓級測試結(jié)果表明，各項電學參數(shù)達到預期。（注：日前他們正式發(fā)布了）  
  在碳化硅器件的技術(shù)水平上，國內(nèi)企業(yè)相對集中于基礎(chǔ)二極管及中低壓器件等低端領(lǐng)域，在對器件性能、可靠性要求較高的高端產(chǎn)品市場滲透率相對較低。  
  高壓器件方面的國產(chǎn)化，最近也開始出現(xiàn)一些好消息。  
  比如：泰科天潤的碳化硅肖特基二極管、碳化硅MOSFET和碳化硅模塊等，其中600V/5A-50A、1200V/5A-50A和1700V/10A等系列的碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品已投入批量生產(chǎn)。此外，泰科天潤已建成國內(nèi)[敏感詞]條碳化硅器件生產(chǎn)線，SBD產(chǎn)品覆蓋600V-3300V的電壓范圍。也是高壓產(chǎn)品的可喜突破。  
  另外，2020年華潤微也向市場發(fā)布了其[敏感詞]代SiC工業(yè)級肖特基二極管(1200V、650V)系列產(chǎn)品，算是我國在高壓器件國產(chǎn)化方面的一個示例。  
  最后補充一點。上面是三個方面分別介紹的。實際上，國內(nèi)能從襯底-外延片和器件三個方面做全流程布局的企業(yè)，以三安光電和世紀金光這兩家為代表。當然，如果將國字號的所有院所企業(yè)合起來，也可以算是第三家全流程布局的企業(yè)。  
         

碳化硅生產(chǎn)設備

與二代半導體類似，我國碳化硅生產(chǎn)設備也大量來自進口美歐日的產(chǎn)品。比如，外延片生產(chǎn)國內(nèi)[敏感詞]的瀚天天成公司，碳化硅外延晶片生長爐和各種進口高端檢測設備都是引進德國Aixtron公司的，外延生長技術(shù)已達到國際先進水平的東莞天域公司，其核心的四臺SiC-CVD及配套檢測設備也都是進口產(chǎn)品。  
  碳化硅的設備國產(chǎn)化在這兩年也有一些進展。  
  比如用于襯底生產(chǎn)的單晶生長設備—— 硅長晶爐：2019年11月26日，露笑科技與中科鋼研、國宏中宇簽署合作協(xié)議，依托中科鋼研及國宏中宇在碳化硅晶體材料生長工藝技術(shù)方面已經(jīng)取得的與持續(xù)產(chǎn)出的研發(fā)成果，結(jié)合露笑科技的真空晶體生長設備設計技術(shù)及豐富的裝備制造技術(shù)與經(jīng)驗，共同研發(fā)適用于中科鋼研工藝技術(shù)要求的4英寸、6英寸、8英寸乃至更大尺寸級別的碳化硅長晶設備，目前首批2臺套升華法碳化硅長晶爐已經(jīng)完成設備性能驗收交付使用。  
  2020年2月28日，中國電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地在山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)正式投產(chǎn)，[敏感詞]批設備正式啟動。據(jù)報道，基地一期項目可容納600臺碳化硅單晶生長爐，項目建成后將具備年產(chǎn)10萬片4-6英寸N型（導電型）碳化硅單晶晶片、5萬片4-6英寸高純半絕緣型碳化硅單晶晶片的生產(chǎn)能力。  
  再如碳化硅外延片生產(chǎn)設備—— 硅外延爐：  
 
 
  晶盛機電研發(fā)的6英寸碳化硅外延設備，兼容4寸和6寸碳化硅外延生長。在客戶處4寸工藝驗證通過，正在進行6寸工藝驗證。該設備為單片式設備，沉積速度達到50um/min，厚度均勻性＜1%，濃度均勻性＜1.5%，應用于新能源汽車、電力電子、微波射頻等領(lǐng)域。公司開發(fā)的碳化硅外延設備。更好的消息失，其研發(fā)的8英寸硅外延爐已通過部分客戶產(chǎn)品性能測試，技術(shù)驗證通過，具有外延層厚度均勻性和電阻率均勻性高的特點，各項技術(shù)指標達到進口設備同等水平，具備批量生產(chǎn)基礎(chǔ)。  
         

小結(jié)和展望

碳化硅領(lǐng)域，特別是碳化硅的高端（高壓高功率場景）器件領(lǐng)域，基本上仍掌握在西方國家手里，SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)美、日、歐三足鼎立的競爭格局，前五大廠商份額約90%。CREE、英飛凌和羅姆，呈現(xiàn)出寡頭壟斷式的市占率。  
  我國在碳化硅領(lǐng)域，過去一直呈現(xiàn)較大的救贖代差，落后國際水平5-8年左右。但是，從2018年之后的3年里，呈現(xiàn)出加速追趕的態(tài)勢。  
  襯底方面，4家廠商研發(fā)成功6英寸產(chǎn)品并啟動了工業(yè)化生產(chǎn)，8英寸襯底初步研發(fā)成功。與國外的差距縮小到半代，大概3-4年左右。  
  外延片方面，進展稍慢。6英寸產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上，但8英寸產(chǎn)品的研發(fā)成功尚未見到公開報道。本土外延片的[敏感詞]廠商瀚天天成公司，是與美國合資的，自主可控能力依然有一定的不確定性。  
  器件方面，特別是高壓高頻高功率器件方面，我們的差距仍然較大。1700伏以上的本土產(chǎn)品鳳毛麟角，依然有很多路要趕。  
  設備方面：碳化硅生產(chǎn)的高端設備，基本掌握在歐美手中。國內(nèi)核心設備正在加緊國產(chǎn)化。但檢測設備與國內(nèi)其他行業(yè)的同類產(chǎn)品一樣，是非常大的短板。  
  筆者認為，第三代半導體的國產(chǎn)化比第二代半導體要稍微樂觀一些：  
  首先，碳化硅和第三代半導體，從總體上來說， 在技術(shù)上和市場上并未完全成熟。  
  從技術(shù)上說，大量工藝問題和材料問題仍然亟待業(yè)內(nèi)解決。碳化硅晶片存在微管缺陷密度。外延片的生長速率較低，工藝效率低相比二代硅材料很低。摻雜工藝有特殊要求，工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。碳化硅本身耐高溫，但配套材料比如電極材料、焊料、外殼、絕緣材料的耐溫程度還需要提高。  
  從商業(yè)化成本上來說，上游晶圓制造方面，厚度只有0.5毫米的碳化硅三代半導體6英寸晶圓，市場售價2000美元。而12吋的二代硅晶圓的平均單價在110美元。而下游器件市場上，碳化硅器件的市場價格，約為硅材料制造的5到6倍。業(yè)內(nèi)普遍認為，碳化硅器件的價格只有不高于硅器件的2倍，才有可能具有真正的市場競爭優(yōu)勢。  
  因此，碳化硅和第三代半導體，在整個行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過程中發(fā)展，遠未達到能夠大規(guī)模替代第二代半導體的成熟產(chǎn)業(yè)地步，潛在市場的荒原依然巨大。市場內(nèi)[敏感詞]的玩家，也仍然面臨諸多短板有待彌補，因此鹿死誰手尚未分明，任何已經(jīng)出具規(guī)模的參與者，都還有翻盤超越的機會。  
 

第二，我國是碳化硅[敏感詞]的應用市場。LED照明、高壓電力傳輸、家電領(lǐng)域、5G通信、新能源汽車，這些碳化硅和其他三代半導體的核心應用場景，都以我國作為[敏感詞]主場。全球生產(chǎn)的碳化硅器件，50%左右就在我國消耗。有市場，有應用場景，就有技術(shù)創(chuàng)新的[敏感詞]原動力和資本市場的投資機會。有[敏感詞]工業(yè)制造業(yè)的規(guī)模，有國家產(chǎn)業(yè)政策的適度引導，碳化硅的產(chǎn)業(yè)發(fā)展就有成功的基礎(chǔ)和追趕的希望。

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