隨著近年來美國對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重重禁運封鎖廣泛報道，大家對第二代半導(dǎo)體中的硅基半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體。碳化硅等第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)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，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(dǎo)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(dǎo)體，在半導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(jìn)行討論。
對應(yīng)碳化硅的襯底的2種類型，即導(dǎo)電型碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底。在導(dǎo)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(jìn)一步制成功率器件，主要應(yīng)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(jìn)一步制成微波射頻器件，應(yīng)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(dá)、山東天岳、河北同光晶體、世紀(jì)金光、中電集團(tuán)2所等。國內(nèi)碳化硅襯底以3-4英寸為主，天科合達(dá)的4英寸襯底已達(dá)到*先進(jìn)水平。2019 國內(nèi)主要企業(yè)導(dǎo)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(jìn)入初步工程化準(zhǔn)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(dǎo)電型碳化硅襯底材料產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到6英寸，還自主開發(fā)了6英寸N型（導(dǎo)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(dá)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(wù)組合中。
2020年07月19，三安光電在長沙的第三代半導(dǎo)體項目開工，主要用于研發(fā)、生產(chǎn)及銷售6英寸SIC導(dǎo)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(shè)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(shè)，一期投資約5億元，預(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)*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(jìn)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(dá)*的技術(shù)研發(fā)速度。值得注意的是，山西爍科的*大持股人是中電科半導(dǎo)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*隊的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化機(jī)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(jī)，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(jì)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(dǎo)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*筆商業(yè)訂單產(chǎn)品，成為國內(nèi)首家提供的商業(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(dǎo)體有限公司，建設(shè)和運營6英寸第二代和第三代半導(dǎo)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(dǎo)體、三菱電機(jī)、東芝、威世半導(dǎo)體、富士電機(jī)、瑞薩科技、羅姆、賽米控等美日歐大型半導(dǎo)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(dǎo)體、株洲中車時代、中電科55所、中電科13所、泰科天潤、世紀(jì)金光；Fabless有上海瞻芯、瑞能半導(dǎo)體，F(xiàn)oundry有三安光電；模組方面，的嘉興斯達(dá)、河南森源、常州武進(jìn)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(jì)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(dǎo)體碳化硅功率模塊產(chǎn)業(yè)化項目正式開工建設(shè)。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(dǎo)體碳化硅功率器件性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，可廣泛應(yīng)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(yáng)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(kuò)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(wù)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*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(xué)參數(shù)達(dá)到預(yù)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)*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*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(bǔ)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(jì)金光這兩家為代表。當(dāng)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(shè)備
與二代半導(dǎo)體類似，我國碳化硅生產(chǎn)設(shè)備也大量來自進(jìn)口美歐日的產(chǎn)品。比如，外延片生產(chǎn)國內(nèi)*的瀚天天成公司，碳化硅外延晶片生長爐和各種進(jìn)口高端檢測設(shè)備都是引進(jìn)德國Aixtron公司的，外延生長技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平的東莞天域公司，其核心的四臺SiC-CVD及配套檢測設(shè)備也都是進(jìn)口產(chǎn)品。
碳化硅的設(shè)備國產(chǎn)化在這兩年也有一些進(jìn)展。
比如用于襯底生產(chǎn)的單晶生長設(shè)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(shè)備設(shè)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(shè)備，目前首批2臺套升華法碳化硅長晶爐已經(jīng)完成設(shè)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)，*批設(shè)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(dǎo)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(shè)備——
硅外延爐：
晶盛機(jī)電研發(fā)的6英寸碳化硅外延設(shè)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(jìn)行6寸工藝驗證。該設(shè)備為單片式設(shè)備，沉積速度達(dá)到50um/min，厚度均勻性＜1%，濃度均勻性＜1.5%，應(yīng)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(shè)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(biāo)達(dá)到進(jìn)口設(shè)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*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(jìn)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*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(shè)備方面：碳化硅生產(chǎn)的高端設(shè)備，基本掌握在歐美手中。國內(nèi)核心設(shè)備正在加緊國產(chǎn)化。但檢測設(shè)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(rèn)為，第三代半導(dǎo)體的國產(chǎn)化比第二代半導(dǎo)體要稍微樂觀一些：
首先，碳化硅和第三代半導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)體，在整個行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過程中發(fā)展，遠(yuǎn)未達(dá)到能夠大規(guī)模替代第二代半導(dǎo)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)最先進(jìn)的玩家，也仍然面臨諸多短板有待彌補(bǔ)，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(jī)會。
第二，我國是碳化硅最大的應(yīng)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(dǎo)體的核心應(yīng)用場景，都以我國作為最大主場。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(yīng)用場景，就有技術(shù)創(chuàng)新的最大原動力和資本市場的投資機(jī)會。有最大工業(yè)制造業(yè)的規(guī)模，有*產(chǎn)業(yè)政策的適度引導(dǎo)，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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