'第三代半導體發展之碳化硅（SiC）篇'

在功率半導體發展歷史上，功率半導體可以分為三代：

第一代半導體材料：鍺、硅等單晶半導體材料，硅擁有1.1eV的禁帶寬度以及氧化後非常穩定的特性。

第二代半導體材料：砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料，砷化鎵擁有1.4電子伏特的禁帶寬度以及比硅高五倍的電子遷移率。

第三代半導體材料：以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料，有更高飽和漂移速度和更高的臨界擊穿電壓等突出優點，適合大功率、高溫、高頻、抗輻照應用場合。

第三代半導體材料可以滿足現代社會對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，且其擁有體積小、汙染少、運行損耗低等經濟和環保效益，因此第三代半導體材料正逐步成為發展的重心。當前主流的第三代半導體材料為碳化硅與氮化硅，前者多用於高壓場合如智能電網、軌道交通；後者則在高頻領域有更大的應用（5G等）。

碳化硅行業儼然已成為功率半導體器件行業的新戰場。

以下為國內碳化硅產業主要公司：

山東天嶽：單晶襯底，量產四英寸單晶襯底，獨立自主開發6英寸襯底技術。

天科合達：單晶襯底，國內首家建立完成碳化硅生產線、實現碳化硅晶體產業化的公司，量產2-4英寸晶片。

河北同光：單晶襯底，4英寸及六英寸導電性、半絕緣碳化硅襯底；其中4英寸襯底已達世界先進水平。

瀚天天成：外延片，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。

天域半導體：外延片3英寸、4英寸以及6英寸的碳化硅外延晶片。

中電2/13/55所：器件/模塊/IDM，量產高純碳化硅材料、高純半絕緣晶片；實現4-6寸碳化硅外延片、芯片設計製造、模塊封裝的完整產業鏈。

中車時代：器件/模塊/IDM，國內首家6英寸碳化硅生產線；實現碳化硅二極管和MOSFET工藝。

世紀金光：器件/模塊/IDM，集半導體單晶材料、外延、器件、模塊的研發、設計、生產與銷售於一體，貫通了第三代半導體全產業鏈。

泰科天潤：器件/模塊/IDM，建成國內第一條完整的4～6寸碳化硅器件量產線，可在碳化硅外延上實現半導體功率器件的製造工藝。

碳化硅功率半導體器件優勢

第三代半導體，由於在物理結構上具有能級禁帶寬的特點，又稱為寬禁帶半導體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導體性能特徵上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高電子飽和漂移速率等優勢，從而能夠開發出更適應高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導體器件，可有效突破傳統硅基功率半導體器件及其材料的物理極限。

資料來源：Semikron – Application Manual Power Semicondu

整體來看，碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍，與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開關管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本徵特性優勢，還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

資料來源：Rohm，國元證券研究中心

碳化硅功率半導體器件從上個世紀70年代開始研發，經過30年的積累，於2001年開始商用碳化硅SBD器件，之後於2010年開始商用碳化硅MOSFET器件，當前碳化硅IGBT器件還在研發當中。

碳化硅功率器件發展歷程。資料來源：太平洋證券

碳化硅功率器件製程

碳化硅功率器件整個生產過程大致如下圖所示，主要會分為碳化硅單晶生產、外延層生產、器件製造三大步驟，分別對應產業鏈的襯底、外延、器件和模組三大環節。

碳化硅功率器件生產過程

襯底方面：通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品，國內襯底以4英寸為主，質量相對薄弱，主要用於生產10A以下小電流產品，目前單晶生長緩慢且品質不夠穩定是碳化硅價格高、市場推廣慢的重要原因。

外延方面：通常用PECVD法制造，目前國內部分公司已能提供4、6英寸碳化硅外延片，品質尚可，針對1700V及以下的器件用的外延片已比較成熟，但對於高質量厚外延的量產技術主要還是國外的Cree、昭和等少數企業具備。

器件方面：國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET已實現量產，國內目前MOSFET量產還有待突破，產線方面都在往6英寸線過渡，並且Cree已開始佈局8英寸線，器件的價格走勢上，目前的價格是硅器件的5-6倍，且以每年10%的速度下降，隨著上游擴產的加劇以及應用的不斷拓展，有望在2-3年後降到硅器件的2-3倍，從而帶動系統層面的價格與傳統方案持平或更低，在製程上，大部分設備與傳統硅生產線相同，但由於碳化硅具有硬度高等特性，需要一些特殊的生產設備，如高溫離子注入機、碳膜濺射儀、量產型高溫退火爐等，其中是否具備高溫離子注入機是衡量碳化硅生產線的一個重要標準。

由於碳化硅分立功率器件的性能與材料、結構設計、製造工藝之間的關聯性較強，同時為了加強成本的控制與工藝品控的改進，不少企業仍選擇採用IDM模式，如Cree和Rohm甚至覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件設計與製造全產業鏈環節，其中Cree佔據襯底市場約40%份額、器件市場約25%份額，並且Infineon、Cree、Rohm、ST四家合計佔有全球器件市場近90%的份額，均為IDM模式。

碳化硅功率半導體器件應用與規模

目前碳化硅功率器件主要定位於功率在1kw-500kw之間、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場景，特別是一些對於能量效率和空間尺寸要求較高的應用，如電動汽車車載充電機與電驅系統、充電樁、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網、工業級電源等領域，可取代部分硅基MOSFET與IGBT。

當前電動汽車的車載充電機市場已逐步採用碳化硅SDB，產品集中在1200V/10A、20A，每臺車載充電機需要4-8顆碳化硅SBD，全球已有超20餘家汽車廠商開始採用。

電動汽車的電驅系統，主要指功率控制單元PCU，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統PCU使用硅基半導體制成，強電流與高壓電穿過硅基功率器件時的電能損耗是電動力車最主要的電能損耗來源，而使用碳化硅SBD和MOSFET可降低10%的總能量損耗，同時可降低PCU 80%的體積，使得車輛更為緊湊輕巧。

因此碳化硅MOSFET取代硅基IGBT是電驅系統發展的必然趨勢，預計該市場將在明年碳化硅MOSFET成熟可靠後全面啟動。目前，特斯拉Model 3的電驅系統已採用了ST所提供的的碳化硅器件，豐田也將於2020年正式推出搭載碳化硅器件的電動汽車。

據IMS Research報告顯示，碳化硅功率器件2017年市場份額在3億美元左右，主要集中在光伏逆變器與電源領域。雖只佔到功率器件市場的1.5%的規模，但近幾年的年複合增長率保持在30%以上。

同時，在產品結構也主要是以二極管為主，佔到80%以上的份額，而未來隨著電動汽車作為主驅動力以及MOSFET器件的上量，有望在未來8年超20億美元。

在市場格局上，目前Infineon是全球SiC器件領域銷售額排名第一的企業，市場份額近40%，Cree、Rohm、ST分別排名二、三、四位，市場份額分別為23%、16%、10%，國產替代空間大。

碳化硅功率半導體存在的問題

儘管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件製造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。

1 碳化硅單晶材料

國際上碳化硅單晶材料領域存在的問題主要有：

大尺寸碳化硅單晶襯底製備技術仍不成熟。目前國際上碳化硅芯片的製造已經從4英寸換代到6英寸，並已經開發出了8英寸碳化硅單晶樣品，與先進的硅功率半導體器件相比，單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。

缺乏更高效的碳化硅單晶襯底加工技術。碳化硅單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點，必須進一步開發大尺寸碳化硅晶體的切割工藝，提高加工效率。襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度，而大尺寸碳化硅襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求，需要進一步開發研磨、拋光工藝參數，降低晶圓表面粗糙度。

P型襯底技術的研發較為滯後。目前商業化的碳化硅產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要P型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高，其基礎科學問題尚未得到突破，技術開發滯後。

近年來，我國碳化硅單晶材料領域取得了長足進步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，我國碳化硅單晶材料領域在以下兩個方面存在巨大的風險：

是本土碳化硅單晶企業無法為國內已經/即將投產的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料。

碳化硅材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。

2 碳化硅外延材料

國際上碳化硅外延材料領域存在的問題主要有：

N型碳化硅外延生長技術有待進一步提高。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰，一定程度影響了中低壓碳化硅芯片良率的提高。

P型碳化硅外延技術仍不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極型器件，對P型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的P型碳化硅外延材料。

近年來我國碳化硅外延材料技術獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其它國家的差距，已經開始批量採用本土4英寸單晶襯底材料，產品已經打入國際市場。

但是，以下兩個方面存在巨大的風險：

目前國內碳化硅外延材料產品以4英寸為主，由於受單晶襯底材料的侷限，尚無法批量供貨6英寸產品。

碳化硅外延材料加工設備全部進口，將制約我國獨立自主產業的發展壯大。

3 碳化硅功率器件

雖然國際上碳化硅器件技術和產業化水平發展迅速，開始了小範圍替代硅基二極管和IGBT的市場化進程，但是碳化硅功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領域存在的問題主要有：

碳化硅單晶及外延技術還不夠完美，高質量的厚外延技術不成熟，這使得製造高壓碳化硅器件非常困難，而外延層的缺陷密度又制約了碳化硅功率器件向大容量方向發展。

碳化硅器件工藝技術水平還比較低，這是制約碳化硅功率器件發展和推廣實現的技術瓶頸，特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質量氧化層生長工藝尚不理想，使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高溫和長期工作條件下可靠性低的缺陷。

在碳化硅功率器件的可靠性驗證方面，其試驗標準和評價方法基本沿用硅器件，尚未有專門針對碳化硅功率器件特點的可靠性試驗標準和評價方法，導致試驗情況與實際使用的可靠性有差距。

在碳化硅功率器件測試方面，碳化硅器件測試設備、測試方法和測試標準基本沿用硅器件的測試方法，導致碳化硅器件動態特性、安全工作區等測試結果不夠準確，缺乏統一的測試評價標準。

除了以上共性問題外，我國碳化硅功率器件領域發展還存在研發時間短，技術儲備不足，進行碳化硅功率器件研發的科研單位較少，研發團隊的技術水平跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下三個方面差距巨大：

在SiC MOSFET器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，存在一定程度上依賴國際代工企業來製造芯片的弊病，容易受制於人，產業化水平不容樂觀。

碳化硅芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立碳化硅工藝線所採用的關鍵設備基本需要進口。

碳化硅器件高端檢測設備被國外所壟斷。

4 碳化硅功率模塊

當前碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優勢，必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻，並提高芯片在高溫下的穩定運行能力。目前碳化硅功率模塊存在的主要問題有：

採用多芯片並聯的碳化硅功率模塊，由於結電容小、開關速度高，因此在開關過程中會出現極高的電流上升率（di/dt）和電壓上升率（dv/dt），在這種情況下會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗，無法發揮碳化硅器件的優良性能。

碳化硅功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創新不足，功率模塊雜散參數較大，可靠性不高。

碳化硅功率高溫封裝技術發展滯後。目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發揮碳化硅功率器件的高溫優勢，必須進一步研發先進燒結材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術等方面實現整體突破。

5 碳化硅功率半導體存在的問題

儘管碳化硅功率器件應用前景廣闊，但是目前受限於價格過高等因素，迄今為止，市場規模並不大，應用範圍並不廣，主要集中於光伏、電源等領域。目前碳化硅器件應用存在的主要問題有：

碳化硅功率器件的驅動技術尚不成熟。為了充分發揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅動芯片具有工作溫度高、驅動電流大和可靠性高的特點。目前驅動芯片沿用硅器件的驅動技術，尚不能滿足要求。

碳化硅功率器件的保護技術尚不完善。碳化硅功率器件具有開關頻率快、短路時間短等特點，目前器件保護技術尚不能滿足需求。

碳化硅器件的電路應用開關模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關特性，尚不能對碳化硅器件的電路拓撲仿真設計提供準確的指導。

碳化硅功率器件應用中的電磁兼容問題尚未完全解決。

碳化硅功率器件應用的電路拓撲尚不夠優化。目前碳化硅功率器件的應用電路拓撲基本上沿用硅器件的電路拓撲，沒有開發出完全發揮碳化硅功率器件優勢的新型電路拓撲結構。

整體而言，第三代半導體技術尚處於發展狀態，還有許多不足之處。以當前運用程度最高的碳化硅為例，其技術上尚有幾個缺陷：

材料成本過高。目前碳化硅芯片的工藝不如硅成熟，主要為4英寸晶圓，材料的利用率不高，而Si芯片的晶圓早已經發展到12寸。具體而言，相同規格的產品，碳化硅器件的整體價格達到硅器件的5-6倍。

高溫損耗過大。碳化硅器件雖然能在高溫下運行，但其在高溫條件下產生的高功率損耗很大程度上限制了其應用，這是與器件開發之初的目的相違背的。

封裝技術滯後。目前碳化硅模塊所使用的封狀技術還是沿用硅模塊的設計，其可靠性和壽命均無法滿足其工作溫度的要求。

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