第三代半導(dǎo)體碳化硅的國(guó)產(chǎn)化

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(chǎng)高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨(dú)特的性能。

因此第三代半導(dǎo)體材料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，第三代半導(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(cè)器件、太陽(yáng)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(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)以及器件/芯片制造，分別對(duì)應(yīng)襯底、外延和器件/芯片。后文會(huì)圍繞這三個(gè)方面，對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展進(jìn)行討論。

對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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。

一、碳化硅襯底

碳化硅襯底生產(chǎn)的國(guó)外核心企業(yè)，主要是美國(guó)CREE，美國(guó) II-VI，和日本昭和電工，三者合計(jì)占據(jù)75%以上的市場(chǎng)。技術(shù)上，正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過(guò)渡，8 英寸硅基襯底在研。

國(guó)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(guó)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)到世界先進(jìn)水平。2019 國(guó)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(wàn)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(wàn)片/年。其中，中電科2所于2018年在國(guó)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(shí)現(xiàn)SiC的4英寸晶片的大批量產(chǎn)。

國(guó)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(kāi)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(kāi)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(yàn)。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(zhǎng)沙的第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目開(kāi)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(guó)宏中晶簽訂合作協(xié)議，投資建設(shè)碳化硅長(zhǎng)晶生產(chǎn)線項(xiàng)目。該項(xiàng)目總投資10億元，項(xiàng)目分兩期建設(shè)，一期投資約5億元，預(yù)計(jì)2019年6月建成投產(chǎn)，建成后可年產(chǎn)5萬(wàn)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(wàn)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(guó)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(lái)幾年可以啟動(dòng)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)國(guó)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(jìn)入工程化。今后，我國(guó)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)國(guó)家的技術(shù)研發(fā)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(dǎo)體，持股63.75%，第四大持股人是中電科5所，持股9.54%。因此屬于國(guó)家隊(duì)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化機(jī)構(gòu)。

二、碳化硅外延片

碳化硅外延片生產(chǎn)的國(guó)外核心企業(yè)，主要以美國(guó)的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、三菱電機(jī)，德國(guó)的Infineon 等為主。其中，美國(guó)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(guò)渡。

國(guó)內(nèi)碳化硅外延片的生產(chǎn)商，主要瀚天天成、東莞天域、國(guó)民技術(shù)子公司國(guó)民天成、世紀(jì)金光，以及國(guó)字號(hào)的中電科13所和55所。目前國(guó)內(nèi)外延片也是以提供4英寸的產(chǎn)品為主，并開(kāi)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(wàn)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)，并交付第一筆商業(yè)訂單產(chǎn)品，成為國(guó)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(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)超2萬(wàn)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(guó)民技術(shù)在2017年8月15日發(fā)布公告，投資監(jiān)理成都國(guó)民天成化合物半導(dǎo)體有限公司，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)6英寸第二代和第三代半導(dǎo)體集成電路外延片項(xiàng)目，項(xiàng)目首期投資4.5億元。

三、碳化硅器件

碳化硅器件生產(chǎn)的國(guó)外核心企業(yè)，是市占率18.5%的美國(guó)英飛凌Infineon，和以安森美領(lǐng)銜的第二梯隊(duì)，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(guó)際上600-1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下。

隨后是臺(tái)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(shí)代、中電科55所、中電科13所、泰科天潤(rùn)、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(shí)代電氣，等等。

在器件的產(chǎn)線技術(shù)水平上，中車時(shí)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(dòng)，國(guó)內(nèi)已有四條6英寸SiC中試線相繼投入使用。其中，中車時(shí)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(rùn)澤第三代半導(dǎo)體碳化硅功率模塊產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目正式開(kāi)工建設(shè)。2018年9月，芯光潤(rùn)澤的國(guó)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(dú)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(guó)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(shí)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(rùn)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(chǎng)份額。

2018年5月，上海瞻芯制造的第一片國(guó)產(chǎn)6英寸碳化硅MOSFET器件晶圓面世。晶圓級(jí)測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)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(guó)內(nèi)企業(yè)相對(duì)集中于基礎(chǔ)二極管及中低壓器件等低端領(lǐng)域，在對(duì)器件性能、可靠性要求較高的高端產(chǎn)品市場(chǎng)滲透率相對(duì)較低。

高壓器件方面的國(guó)產(chǎn)化，最近也開(kāi)始出現(xiàn)一些好消息。

比如：泰科天潤(rùn)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(rùn)已建成國(guó)內(nèi)第一條碳化硅器件生產(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(rùn)微也向市場(chǎng)發(fā)布了其第一代SiC工業(yè)級(jí)肖特基二極管(1200V、650V)系列產(chǎn)品，算是我國(guó)在高壓器件國(guó)產(chǎn)化方面的一個(gè)示例。

最后補(bǔ)充一點(diǎn)。上面是三個(gè)方面分別介紹的。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)能從襯底-外延片和器件三個(gè)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(guó)字號(hào)的所有院所企業(yè)合起來(lái)，也可以算是第三家全流程布局的企業(yè)。

四、碳化硅生產(chǎn)設(shè)備

與二代半導(dǎo)體類似，我國(guó)碳化硅生產(chǎn)設(shè)備也大量來(lái)自進(jìn)口美歐日的產(chǎn)品。比如，外延片生產(chǎn)國(guó)內(nèi)第一的瀚天天成公司，碳化硅外延晶片生長(zhǎng)爐和各種進(jìn)口高端檢測(cè)設(shè)備都是引進(jìn)德國(guó)Aixtron公司的，外延生長(zhǎng)技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的東莞天域公司，其核心的四臺(tái)SiC-CVD及配套檢測(cè)設(shè)備也都是進(jìn)口產(chǎn)品。

碳化硅的設(shè)備國(guó)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(zhǎng)設(shè)備——硅長(zhǎng)晶爐：2019年11月26日，露笑科技與中科鋼研、國(guó)宏中宇簽署合作協(xié)議，依托中科鋼研及國(guó)宏中宇在碳化硅晶體材料生長(zhǎng)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(zhǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)及豐富的裝備制造技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，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(jí)別的碳化硅長(zhǎng)晶設(shè)備，目前首批2臺(tái)套升華法碳化硅長(zhǎng)晶爐已經(jīng)完成設(shè)備性能驗(yàn)收交付使用。

2020年2月28日，中國(guó)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)，第一批設(shè)備正式啟動(dòng)。據(jù)報(bào)道，基地一期項(xiàng)目可容納600臺(tái)碳化硅單晶生長(zhǎng)爐，項(xiàng)目建成后將具備年產(chǎn)10萬(wàn)片4-6英寸N型(導(dǎo)電型)碳化硅單晶晶片、5萬(wàn)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(zhǎng)。在客戶處4寸工藝驗(yàn)證通過(guò)，正在進(jìn)行6寸工藝驗(yàn)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(kāi)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(guò)部分客戶產(chǎn)品性能測(cè)試，技術(shù)驗(yàn)證通過(guò)，具有外延層厚度均勻性和電阻率均勻性高的特點(diǎn)，各項(xiàng)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)。

五、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(chǎng)景)器件領(lǐng)域，基本上仍掌握在西方國(guó)家手里，SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)美、日、歐三足鼎立的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)在碳化硅領(lǐng)域，過(guò)去一直呈現(xiàn)較大的救贖代差，落后國(guó)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(shì)。

襯底方面，4家廠商研發(fā)成功6英寸產(chǎn)品并啟動(dòng)了工業(yè)化生產(chǎn)，8英寸襯底初步研發(fā)成功。與國(guó)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(chǎng)上，但8英寸產(chǎn)品的研發(fā)成功尚未見(jiàn)到公開(kāi)報(bào)道。本土外延片的第一廠商瀚天天成公司，是與美國(guó)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(guó)內(nèi)核心設(shè)備正在加緊國(guó)產(chǎn)化。但檢測(cè)設(shè)備與國(guó)內(nèi)其他行業(yè)的同類產(chǎn)品一樣，是非常大的短板。

第三代半導(dǎo)體的國(guó)產(chǎn)化比第二代半導(dǎo)體要稍微樂(lè)觀一些：

首先，碳化硅和第三代半導(dǎo)體，從總體上來(lái)說(shuō)，在技術(shù)上和市場(chǎng)上并未完全成熟。

從技術(shù)上說(shuō)，大量工藝問(wèn)題和材料問(wèn)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(chǎng)售價(jià)2000美元。而12吋的二代硅晶圓的平均單價(jià)在110美元。而下游器件市場(chǎng)上，碳化硅器件的市場(chǎng)價(jià)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(jià)格只有不高于硅器件的2倍，才有可能具有真正的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

因此，碳化硅和第三代半導(dǎo)體，在整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過(guò)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(chǎng)的荒原依然巨大。

其次，我國(guó)是碳化硅最大的應(yīng)用市場(chǎng)。

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(chǎng)景，都以我國(guó)作為最大主場(chǎng)。

全球生產(chǎn)的碳化硅器件，50%左右就在我國(guó)消耗。有市場(chǎng)，有應(yīng)用場(chǎng)景，就有技術(shù)創(chuàng)新的最大原動(dòng)力和資本市場(chǎng)的投資機(jī)會(huì)。有最大工業(yè)制造業(yè)的規(guī)模，有國(guó)家產(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。