最近關(guān)于SiC的消息層出不窮，小小一片碳化硅，它背后是千億級(jí)的大產(chǎn)業(yè)。每生產(chǎn)一輛電動(dòng)汽車，至少要消耗一片碳化硅。碳化硅材料自身的優(yōu)越性引得包括特斯拉、保時(shí)捷、比亞迪在內(nèi)的全球車廠積極擁抱碳化硅。另外它還是5G的新材料，華為自去年也開(kāi)始出手布局碳化硅。國(guó)內(nèi)SiC企業(yè)開(kāi)始了加速進(jìn)擊，上市公司天通股份、露笑科技、揚(yáng)杰科技、三安光電紛紛涉足了碳化硅項(xiàng)目。

據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，SiC器件業(yè)務(wù)總額從2018年的4.2億美元增長(zhǎng)至2019年的5.64億美元，最大的增長(zhǎng)動(dòng)力是電池、電動(dòng)汽車，電力供應(yīng)和太陽(yáng)能也是強(qiáng)勁的市場(chǎng)。五年的復(fù)合年增長(zhǎng)率接近30%，2020年仍有增長(zhǎng)。但真正的增長(zhǎng)，特別是汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)，要晚一些。不是在2020年。

SiC在半導(dǎo)體中的好處

隨著電子設(shè)備和邏輯板的市場(chǎng)進(jìn)一步增長(zhǎng)，傳統(tǒng)硅的缺點(diǎn)日益凸顯，為此設(shè)計(jì)師和制造商一直在尋找更好，更智能的方法來(lái)制造這些重要組件。碳化硅就是這樣一個(gè)存在，由于碳化硅材料具有較大的禁帶寬度以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，相比傳統(tǒng)硅技術(shù)，碳化硅技術(shù)可以兼得高頻和高壓這兩個(gè)重要特性。而且相同規(guī)格的碳化硅芯片只有硅芯片十分之一大小，不僅如此，基于碳化硅技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用中，更少的散熱需求和更小的被動(dòng)元器件導(dǎo)致整個(gè)裝置的體積也大大減小。

因此碳化硅功率半導(dǎo)體在普通硅半導(dǎo)體中脫穎而出，在電子電力、光電子以及微波通訊等領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景。

電力行業(yè)是SiC功率半導(dǎo)體的重要市場(chǎng)之一，特別是由于其在大功率應(yīng)用場(chǎng)合中仍然有較低的功耗。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體具有禁帶寬、熱導(dǎo)率高，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，飽和電子漂移速率高，化學(xué)性能穩(wěn)定，硬度高，抗磨損，高鍵和高能量以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于制造高溫，高頻，高功率，抗輻射，大功率和高密集集成電子器件。

用SiC制造的組件包括二極管，各種晶體管類型（例如MOSFET，JFET和IGBT）和柵極截止晶閘管，通過(guò)使用這樣的基本構(gòu)建塊，可以創(chuàng)建更小，更輕，效率極高的電源模塊，用于將電源切換到負(fù)載或從負(fù)載切換電源以及進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用SiC襯底開(kāi)發(fā)的電力電子器件可用在輸變電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能、混合動(dòng)力汽車等電力電子領(lǐng)域，降低電力損失，減少發(fā)熱量，高溫工作，提高效率，增加可靠性。

早期用例，特斯拉已經(jīng)將意法半導(dǎo)體的基于SiC MOSFET的功率模塊集成到Model 3逆變器中。Model 3具有一個(gè)主逆變器，該逆變器需要24個(gè)電源模塊，每個(gè)電源模塊均基于兩個(gè)碳化硅MOSFET管芯，每輛汽車總共有48個(gè)SiC MOSFET管芯。這些MOSFET由位于意大利卡塔尼亞的意法半導(dǎo)體晶圓廠制造。

早在2014年5月，豐田汽車宣布通過(guò)使用SiC功率半導(dǎo)體，將混合動(dòng)力汽車的燃油效率提高10％（在日本國(guó)土交通省的JC08測(cè)試周期下），并減少了汽車的使用。與僅含Si功率半導(dǎo)體的當(dāng)前PCU相比，功率控制單元（PCU）的尺寸縮小了80％。但由于SiC晶圓（基板）不足，豐田還未采用。

在光電子領(lǐng)域，SiC材料具有與GaN晶格失配小、熱導(dǎo)率高、器件尺寸小、抗靜電能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是GaN系外延材料的理想襯底，由于其良好的熱導(dǎo)率，解決了功率型GaN-LED器件的散熱問(wèn)題，特別適合制備大功率的半導(dǎo)體照明用LED，這樣大大提高了出光效率，又能有效的降低能耗。

在微波通訊領(lǐng)域，SiC作為一種寬帶隙的半導(dǎo)體材料，同時(shí)還具有較寬的工作頻帶，（0~400GHz），加之其優(yōu)異的高溫特性，高擊穿電場(chǎng)，高熱導(dǎo)率和電子飽和速率等特性，在微波通訊領(lǐng)域也占有一席之地。實(shí)現(xiàn)了通訊器件的高效能，高機(jī)動(dòng)，高波段和小型化的，特別是在X波段以上的T/R組件，5G通訊基站中的應(yīng)用備受關(guān)注。

業(yè)內(nèi)人士指出，電動(dòng)汽車行業(yè)是SiC應(yīng)用前景最廣闊的行業(yè)，SiC技術(shù)帶來(lái)的電池使用效率顯著提升以及電驅(qū)動(dòng)裝置重量和體積的縮小正是電動(dòng)汽車技術(shù)最需要的。而就目前來(lái)看，工業(yè)電源行業(yè)是SiC普及和應(yīng)用率較高的行業(yè)，使用碳化硅產(chǎn)品可以顯著提升工業(yè)領(lǐng)域的電能利用效率。

那么碳化硅半導(dǎo)體有不利之處嗎？就目前而言，成本是將SiC技術(shù)引入更廣泛的電氣和電力產(chǎn)品中的少數(shù)明顯缺點(diǎn)之一。SiC半導(dǎo)體的價(jià)格可能是普通硅IGBT的五倍。但回顧過(guò)去十年，可以清晰的看到碳化硅市場(chǎng)一直在快速增長(zhǎng)，這也得益于碳化硅材料端技術(shù)的發(fā)展，材料成本的不斷降低。因此各大公司都在大力擁抱SiC半導(dǎo)體，國(guó)內(nèi)企業(yè)和投資者也在大力推動(dòng)SiC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)動(dòng)作頻頻

在全國(guó)“大基金”的帶動(dòng)下，在過(guò)去的一年中，全國(guó)半導(dǎo)體總投資達(dá)到700多億元，其中SiC材料相關(guān)項(xiàng)目涉及65億。三安光電、中科鋼研、天通股份、比亞迪等企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始在SiC襯底片項(xiàng)目進(jìn)行布局。據(jù)業(yè)內(nèi)從業(yè)人士透露，近幾年，國(guó)內(nèi)的碳化硅市場(chǎng)增速非?？?，在節(jié)能減排政策的大背景下，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)客戶開(kāi)始使用碳化硅器件來(lái)替代傳統(tǒng)硅器件方案，國(guó)內(nèi)電源領(lǐng)域的標(biāo)桿企業(yè)也都在大規(guī)模使用碳化硅器件。

為此，國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)陣容不斷擴(kuò)大。相比于硅技術(shù)，國(guó)內(nèi)碳化硅技術(shù)的發(fā)展更令人欣慰，畢竟國(guó)內(nèi)外碳化硅技術(shù)的起跑線是相對(duì)接近的?？梢钥吹綗o(wú)論是前端的襯底和外延，還是后端的器件和模組，國(guó)內(nèi)都涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的甚至在全球市場(chǎng)都有一席之地的企業(yè)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)替代。

在襯底領(lǐng)域，我國(guó)有山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、世紀(jì)金光、中電集團(tuán)2所等；外延片領(lǐng)域有東莞天域、瀚天天成、世紀(jì)金光；在SiC功率器件研發(fā)制造方面，國(guó)內(nèi)IDM企業(yè)有楊杰電子、基本半導(dǎo)體、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，F(xiàn)abless有上海瞻芯、瑞能半導(dǎo)體，F(xiàn)oundry有三安光電；在模組方面，有嘉興斯達(dá)、河南森源、常州武進(jìn)科華、中車時(shí)代電氣。

進(jìn)入2020年來(lái)，企業(yè)和投資者關(guān)于SiC的動(dòng)作不斷。3月12日，合肥市人民政府發(fā)布指出，世紀(jì)金光6英寸碳化硅項(xiàng)目落戶合肥，大基金持股10.55%。合肥產(chǎn)投資本管理的語(yǔ)音基金作為領(lǐng)投方參與了世紀(jì)金光C輪融資。世紀(jì)金光成立于2010年，致力于第三代寬禁帶半導(dǎo)體功能材料和功率器件研發(fā)與生產(chǎn)。近幾年來(lái)，世紀(jì)金光創(chuàng)新性地解決了高純碳化硅粉料提純技術(shù)、6英寸碳化硅單晶制備技術(shù)、碳化硅SBD、MOSFET材料、結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)技術(shù)等，已完成從碳化硅材料生產(chǎn)、功率元器件和模塊制備到行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與解決方案提供等關(guān)鍵領(lǐng)域的全面布局，是國(guó)內(nèi)第一家擁有SiC全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的半導(dǎo)體公司。

今年2月份，全國(guó)最大生產(chǎn)規(guī)模的碳化硅產(chǎn)業(yè)基地在山西正式投產(chǎn)。中國(guó)電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地一期項(xiàng)目共有300臺(tái)設(shè)備。山西爍科晶體有限公司總經(jīng)理李斌介紹：“該碳化硅產(chǎn)業(yè)基地一期的300臺(tái)設(shè)備，一個(gè)月能生產(chǎn)1200塊碳化硅單晶，單塊的估值在10萬(wàn)元左右，1200塊就是一個(gè)多億?！边@個(gè)1000畝的產(chǎn)業(yè)園將串聯(lián)起山西轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)上下游十多個(gè)產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)山西半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集群迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳化硅的完全自主供應(yīng)。

還有也是在2月，比亞迪公布旗下中大型轎車漢EV首次應(yīng)用自研“高性能碳化硅MOSFET電機(jī)控制模塊”，助其0-100km/h加速僅需3.9秒！這個(gè)成績(jī)刷新了之前由全新唐DM創(chuàng)造的4.3秒紀(jì)錄，讓漢EV成為比亞迪量產(chǎn)車家族的新加速冠軍。其電機(jī)控制器首次使用了比亞迪自主研發(fā)并制造的高性能碳化硅MOSFET控制模塊，碳化硅模塊能夠降低內(nèi)阻，增加電控系統(tǒng)的過(guò)流能力，讓電機(jī)將功率與扭矩發(fā)揮到極致，大幅提升了電機(jī)的性能表現(xiàn)。

再往前時(shí)間段，2019年11月26日，露笑科技與中科鋼研、國(guó)宏中宇在北京簽署了《中科鋼研節(jié)能科技有限公司與國(guó)宏中宇科技發(fā)展有限公司與露笑科技股份有限公司碳化硅項(xiàng)目戰(zhàn)略合作協(xié)議》。這次三方進(jìn)行共同合作，重點(diǎn)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，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的碳化硅長(zhǎng)晶爐設(shè)備將應(yīng)用于國(guó)宏中宇主導(dǎo)的碳化硅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中。

2019年8月，華為旗下的哈勃科技投資有限公司投資了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體材料公司山東天岳，持股達(dá)10％。山東天岳公司成立于 2011 年 12 月，公司自主開(kāi)發(fā)了全新的高純半絕緣襯底材料，目前量產(chǎn)產(chǎn)品以 4 英寸為主，此外其 4H 導(dǎo)電型碳化硅襯底材料產(chǎn)品主要有 2 英寸、3 英寸、4 英寸及 6 英寸。山東天岳還獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)了 6 英寸 N 型碳化硅襯底材料。公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅材料產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。

另外，基本半導(dǎo)體用于電動(dòng)汽車逆變器、對(duì)標(biāo)特斯拉Model 3所采用器件的車規(guī)級(jí)全碳化硅MOSFET模塊已完成工程樣品開(kāi)發(fā)，將聯(lián)合國(guó)內(nèi)主流車廠開(kāi)展測(cè)試。

直面國(guó)內(nèi)外SiC產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣勢(shì)

雖然我國(guó)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上已有所布局，但不得不直面的事實(shí)是，目前全球碳化硅市場(chǎng)基本被國(guó)外企業(yè)壟斷。其中，尤以美國(guó)、歐洲、日本為大。美國(guó)的科銳Cree居于領(lǐng)導(dǎo)地位，占全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲則擁有完整 SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，代表公司為英飛凌、意法半導(dǎo)體等；日本更是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者，代表企業(yè)為羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)等。

他們?yōu)楹文軌蛘紦?jù)絕大部分市場(chǎng)呢？主要是這些企業(yè)大都采用IDM模式，如科銳、羅姆和其他公司都在自己的工廠生產(chǎn)器件，并以自己的品牌銷售，基本覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件設(shè)計(jì)與制造全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，可以更好的加強(qiáng)成本控制與工藝品控的改進(jìn)?？傮w來(lái)看，IDM模型適用于SiC。

雖然IDMs將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，但無(wú)晶圓廠和代工廠供應(yīng)商也有發(fā)展空間。事實(shí)上，一些無(wú)晶圓廠的公司已經(jīng)開(kāi)始使用代工廠來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品。KLA的Raghunathan曾談到：“無(wú)晶圓廠模式允許初創(chuàng)企業(yè)和較小的公司在沒(méi)有重大工藝器件投資的情況下測(cè)試他們的產(chǎn)品。相反，傳統(tǒng)的晶圓廠保留了成為主要客戶選擇的戰(zhàn)略供應(yīng)商的優(yōu)勢(shì)。這兩種模式都在發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，服務(wù)于當(dāng)前工業(yè)景觀的多樣化需求，尋求共存的方式?！?/p>

與國(guó)外大廠相比，國(guó)內(nèi)的SiC起步相對(duì)較晚，目前與美歐日這些公司在部分環(huán)節(jié)還存在一定的差距。但從整體產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，相比于世界一流技術(shù)，我們大約是處于其五年前的水平階段，而且這個(gè)時(shí)間差正在逐漸縮小，部分技術(shù)環(huán)節(jié)甚至是齊頭并進(jìn)。

具體來(lái)看，在SiC襯底方面，國(guó)外主流產(chǎn)品已經(jīng)完成從4寸向6寸的轉(zhuǎn)化，并且已經(jīng)成功研發(fā)8英寸SiC襯底片；而國(guó)內(nèi)SiC襯底片市場(chǎng)現(xiàn)在以4英寸為主，6英寸目前還在研發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)品的成品率相對(duì)較低。SiC器件成本高的一大原因就是襯底貴，目前，襯底成本大約是加工晶片的50%。SiC襯底不止貴，生產(chǎn)工藝還復(fù)雜，與硅相比，碳化硅很難處理、研磨和鋸切，挑戰(zhàn)非常大。所以大多數(shù)都是從科銳、羅姆或第三方供應(yīng)商那里購(gòu)買(mǎi)襯底。

在外延片方面，我國(guó)已經(jīng)取得了可喜的成果。六英寸的碳化硅外延產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)本土供應(yīng)，建成或在建一批專用的碳化硅晶圓廠等。比如瑞能的碳化硅二極管產(chǎn)品以及產(chǎn)業(yè)鏈上游的碳化硅外延產(chǎn)品，早已在國(guó)外市場(chǎng)和全球頂部廠商直接競(jìng)爭(zhēng)。

在SiC功率器件方面，目前國(guó)內(nèi)SiC功率器件制造商所采用的襯底片大多數(shù)都是進(jìn)口。國(guó)外600-1700V SiC SBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主要產(chǎn)品集中于1200V以下。國(guó)內(nèi)600-3300V SiC SBD研發(fā)初見(jiàn)成效，目前也向產(chǎn)業(yè)化方向?qū)嵤瑫r(shí)1200V/50A的SiC MOSFET也研發(fā)成功，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)。

結(jié)語(yǔ)

作為全球半導(dǎo)體應(yīng)用最大的國(guó)家，我國(guó)已經(jīng)意識(shí)到發(fā)展第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要性。行業(yè)專家推測(cè)，在未來(lái)的5年的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將會(huì)迎來(lái)一個(gè)“高潮期”。希望有更多的企業(yè)投入到碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)希望行業(yè)內(nèi)企業(yè)能沉下心來(lái)發(fā)展碳化硅技術(shù)，成熟的技術(shù)和可靠的產(chǎn)品才是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要基石。
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