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隨著近年來美國對我國半導體產業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，最高可以降低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，對碳化硅產業的國產化發展進行討論。  
  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通訊等領域。  
         

碳化硅襯底

 
  碳化硅襯底生產的國外核心企業，主要是美國CREE，美國 II-VI，和日本昭和電工，三者合計占據75%以上的市場。技術上，正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過渡，8 英寸硅基襯底在研。  
  國內的生產商主要是天科合達、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 國內主要企業導電型SiC襯底折合4英寸產能約為50萬片/年，半絕緣SiC襯底折合4英寸產能約為寸產能約為20萬片/年。其中，中電科2所于2018年在國內率先完成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業基地已經實現SiC的4英寸晶片的大批量產。  
  國內6英寸襯底研發也已經陸續獲得突破，進入初步工程化準備和小批量產的階段：  
  2017年，山東天岳自主開發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品已經達到6英寸，還自主開發了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。  
  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版本的6英寸碳化硅晶圓制造技術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、生產及銷售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，中科節能與青島萊西市、國宏中晶簽訂合作協議，投資建設碳化硅長晶生產線項目。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，建成后可年產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6英寸的半絕緣型和導電型襯底都已經有了技術基礎，至少四家在未來幾年可以啟動工程化和大規模批產了，如果速度夠快，將基本追平發達國家的商業化速度。  
  最讓人關注的，是2020年10月6日發布的消息，山西爍科的碳化硅8英寸襯底片研發成功，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展局面，將基本追平發達國家的技術研發速度。值得注意的是，山西爍科的第一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和產業化機構。  
         

碳化硅外延片

 
  碳化硅外延片生產的國外核心企業，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，美國公司就占據全球70-80%的份額。技術上也在向6英寸為主的方向過渡。  
  國內碳化硅外延片的生產商，主要瀚天天成、東莞天域、國民技術子公司國民天成、世紀金光，以及國字號的中電科13所和55所。目前國內外延片也是以提供4英寸的產品為主，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，瀚天天成首批產業化的6英寸碳化硅外延晶片在廈門火炬高新區投產，并交付第一筆商業訂單產品，成為國內首家提供的商業化6英寸碳化硅外延晶片。  
  東莞天域公司則在2012年就實現了年產超2萬片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的產業化能力，目前也可提供6英寸碳化硅外延晶片。  
  國民技術在2017年8月15日發布公告，投資監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

 
  碳化硅器件生產的國外核心企業，是市占率18.5%的德國英飛凌Infineon，和以安森美領銜的第二梯隊，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。國際上600-1700V SiC SBD、MOSFET 已經實現產業化，主流產品耐壓水平在1200V以下。  
  隨后是臺系和陸系企業如，陸系如IDM企業楊杰電子、、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，Foundry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。  
  在器件的產線技術水平上，中車時代、世紀金光、全球能源互聯網研究院、中電55所的6英寸SiC功率器件線已經啟動，國內已有四條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業化項目正式開工建設。2018年9月，芯光潤澤的國內首條碳化硅 IPM器件產線廈門正式投產  
  深圳基本依靠獨有的3D SiCTM技術，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電、新能源汽車、軌道交通和智能電網等領域。  
  揚杰科技的器件產品包括功率二極管、整流橋、肖特基二極管和MOSFET。其4英寸線已經擴產一倍，6英寸線產線2018年底滿產。同時公司戰略布局8寸線IGBT芯片和IPM模塊業務等高利潤產品，多產品線協同發展助力公司提升在功率器件市場份額。  
  2018年5月， 上海瞻芯制造的第一片國產6英寸碳化硅MOSFET器件晶圓面世。晶圓級測試結果表明，各項電學參數達到預期。（注：日前他們正式發布了）  
  在碳化硅器件的技術水平上，國內企業相對集中于基礎二極管及中低壓器件等低端領域，在對器件性能、可靠性要求較高的高端產品市場滲透率相對較低。  
  高壓器件方面的國產化，最近也開始出現一些好消息。  
  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品已投入批量生產。此外，泰科天潤已建成國內第一條碳化硅器件生產線，SBD產品覆蓋600V-3300V的電壓范圍。也是高壓產品的可喜突破。  
  另外，2020年華潤微也向市場發布了其第一代SiC工業級肖特基二極管(1200V、650V)系列產品，算是我國在高壓器件國產化方面的一個示例。  
  最后補充一點。上面是三個方面分別介紹的。實際上，國內能從襯底-外延片和器件三個方面做全流程布局的企業，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合起來，也可以算是第三家全流程布局的企業。  
         

碳化硅生產設備

與二代半導體類似，我國碳化硅生產設備也大量來自進口美歐日的產品。比如，外延片生產國內第一的瀚天天成公司，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品。  
  碳化硅的設備國產化在這兩年也有一些進展。  
  比如用于襯底生產的單晶生長設備—— 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方面已經取得的與持續產出的研發成果，結合露笑科技的真空晶體生長設備設計技術及豐富的裝備制造技術與經驗，共同研發適用于中科鋼研工藝技術要求的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）碳化硅材料產業基地在山西轉型綜合改革示范區正式投產，第一批設備正式啟動。據報道，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能力。  
  再如碳化硅外延片生產設備—— 硅外延爐：  
 
 
  晶盛機電研發的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、微波射頻等領域。公司開發的碳化硅外延設備。更好的消息失，其研發的8英寸硅外延爐已通過部分客戶產品性能測試，技術驗證通過，具有外延層厚度均勻性和電阻率均勻性高的特點，各項技術指標達到進口設備同等水平，具備批量生產基礎。  
         

小結和展望

碳化硅領域，特別是碳化硅的高端（高壓高功率場景）器件領域，基本上仍掌握在西方國家手里，SiC產業呈現美、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，呈現出寡頭壟斷式的市占率。  
  我國在碳化硅領域，過去一直呈現較大的救贖代差，落后國際水平5-8年左右。但是，從2018年之后的3年里，呈現出加速追趕的態勢。  
  襯底方面，4家廠商研發成功6英寸產品并啟動了工業化生產，8英寸襯底初步研發成功。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英寸產品出現在市場上，但8英寸產品的研發成功尚未見到公開報道。本土外延片的第一廠商瀚天天成公司，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伏以上的本土產品鳳毛麟角，依然有很多路要趕。  
  設備方面：碳化硅生產的高端設備，基本掌握在歐美手中。國內核心設備正在加緊國產化。但檢測設備與國內其他行業的同類產品一樣，是非常大的短板。  
  筆者認為，第三代半導體的國產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， 在技術上和市場上并未完全成熟。  
  從技術上說，大量工藝問題和材料問題仍然亟待業內解決。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，工藝參數都還需要優化。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。業內普遍認為，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勢。  
  因此，碳化硅和第三代半導體，在整個行業范圍內仍然是在探索過程中發展，遠未達到能夠大規模替代第二代半導體的成熟產業地步，潛在市場的荒原依然巨大。市場內最先進的玩家，也仍然面臨諸多短板有待彌補，因此鹿死誰手尚未分明，任何已經出具規模的參與者，都還有翻盤超越的機會。  
 

第二，我國是碳化硅最大的應用市場。LED照明、高壓電力傳輸、家電領域、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，都以我國作為最大主場。全球生產的碳化硅器件，50%左右就在我國消耗。有市場，有應用場景，就有技術創新的最大原動力和資本市場的投資機會。有最大工業制造業的規模，有國家產業政策的適度引導，碳化硅的產業發展就有成功的基礎和追趕的希望。

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