半導體產業的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。

碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。

碳化硅(SiC)是一種由硅(Si)和碳(C)組成的半導體化合物，屬于寬帶隙(WBG)材料系列。它的物理結合力非常強，使半導體具有很高的機械、化學和熱穩定性。寬帶隙和高熱穩定性允許SiC器件在高于硅的結溫下使用，甚至超過200°C。碳化硅在功率應用中的主要優勢是其低漂移區電阻，這是高壓功率器件的關鍵因素。

碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發現的一種碳化物，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質材料為爐芯體的電阻爐，通電加熱石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。 ? ?

得益于出色的物理和電子特性，基于SiC的功率器件正在推動電力電子設備的徹底變革。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導體的使用相對較新，這在很大程度上是由于大型和高質量晶片的可用性。近幾十年來，人們的努力集中在開發特定且獨特的高溫晶體生長工藝上。盡管SiC具有不同的多晶型晶體結構（也稱為多型），但4H-SiC多型六方晶體結構最適合高功率應用。

據日經新聞近日引述日本PatentResult公司數據所作報道顯示，日本和美國企業目前壟斷了被視為第三代半導體材料——碳化硅（SiC）相關專利的前5位。

據悉，位于日本東京的研究公司PatentResult從事專利分析，其統計顯示，涉足碳化硅半導體基板的美國科銳（Cree，現已改名為Wolfspeed，全面擁抱碳化硅SiC和氮化鎵GaN）排在首位，第2～5位則都是日本企業，分別是：羅姆半導體集團（ROHMSemiconducto）、SUMITOMOELECTRIC（住友電工）集團、三菱電機、電裝（DENSO）。 ? ?

圖片來自日經中文網

該排名來自PatentResult公司整理的、截至7月29日發布的美國專利數據。

碳化硅的主要性能有哪些？

硅與碳的結合使這種材料具有出色的機械、化學和熱性能，包括：

高導熱性

低熱膨脹和優異的抗熱震性

低功率和開關損耗

高能效

高工作頻率和溫度（工作溫度高達200°C結點）

小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）

本征體二極管（MOSFET器件） ? ?

出色的熱管理，可降低冷卻要求

壽命長

碳化硅在電子領域有哪些應用？

碳化硅是一種非常適合電力應用的半導體，這主要歸功于它能夠承受高電壓，比硅可使用的電壓高十倍。基于碳化硅的半導體具有更高的熱導率、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。碳化硅二極管和晶體管還可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會影響可靠性。SiC器件的主要應用，例如肖特基二極管和FET/MOSFET晶體管，包括轉換器、逆變器、電源、電池充電器和電機控制系統。 ? ?

為什么SiC在功率應用中戰勝了Si？

盡管是電子產品中使用最廣泛的半導體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙很高時，它使用的電子設備可以更小、運行得更快、更可靠。它還可以在比其他半導體更高的溫度、電壓和頻率下運行。硅的帶隙約為1.12eV，而碳化硅的帶隙值約為3.26eV的近三倍。

為什么碳化硅能承受這么高的電壓？

功率器件，尤其是MOSFET，必須能夠處理極高的電壓。由于電場的介電擊穿強度比硅高約十倍，SiC可以達到非常高的擊穿電壓，從600V到幾千伏。SiC可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且漂移層可以做得非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。

為什么SiC在高頻下的表現優于IGBT？

在大功率應用中，過去主要使用IGBT和雙極晶體管，目的是降低高擊穿電壓下出現的導通電阻。然而，這些設備提供了顯著的開關損耗，導致發熱問題限制了它們在高頻下的使用。使用碳化硅可以制造肖特基勢壘二極管和MOSFET等器件，實現高電壓、低導通電阻和快速運行。 ? ?

哪些雜質用于摻雜SiC材料？

在純碳化硅的形式下，其行為類似于電絕緣體。通過受控添加雜質或摻雜劑，SiC可以表現得像半導體。P型半導體可以通過摻雜鋁、硼或鎵來獲得，而氮和磷的雜質則產生N型半導體。碳化硅在某些條件下具有導電能力，但在其他條件下不能導電，這取決于紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強度等因素。與其他材料不同，碳化硅能夠在很寬的范圍內控制器件制造所需的P型和N型區域。由于這些原因，碳化硅是一種適用于功率器件的材料，能夠克服硅的局限性。

碳化硅如何實現比硅更好的熱管理？

另一個重要參數是熱導率，它是半導體如何散發其產生的熱量的指標。如果半導體不能有效散熱，則器件可以承受的最大工作電壓和溫度會受到限制。這是碳化硅優于硅的另一個領域：碳化硅的導熱率為1490W/mK，而硅的導熱率為150W/mK。

SiC反向恢復時間與SiMOSFET相比如何？

SiCMOSFET與其硅對應物一樣，具有內部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為，當二極管關斷同時承載正正向電流時會發生這種情況。因此，反向恢復時間(trr)成為定義MOSFET特性的重要指標。圖2顯示了1000V基于Si的MOSFET和基于SiC的MOSFET的trr之間的比較。可以看出，SiCMOSFET的體二極管非常快：trr和Irr的值小到可以忽略不計，能量損失Err大大降低。

為什么軟關斷對于短路保護很重要？

SiCMOSFET的另一個重要參數是短路耐受時間(SCWT)。由于SiCMOSFET占據的芯片面積非常小且具有高電流密度，因此它們承受可能導致熱斷裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如，對于采用TO247封裝的1.2kVMOSFET，在Vdd=700V和Vgs=18V時的短路耐受時間約為8-10μs。隨著Vgs減小，飽和電流減小，耐受時間增加。隨著Vdd的降低，產生的熱量越少，耐受時間越長。由于關斷SiCMOSFET所需的時間極短，當關斷率Vgs較高時，高dI/dt會導致嚴重的電壓尖峰。因此，應使用軟關斷來逐漸降低柵極電壓，避免出現過壓峰值。 ? ?

為什么隔離式柵極驅動器是更好的選擇？

許多電子設備都是低壓電路和高壓電路，彼此互連以執行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級側（電源、通信和控制電路）和次級側（高壓電路、電機、功率級和輔助電路）。位于初級側的控制器通常使用來自高壓側的反饋信號，如果不存在隔離屏障，則很容易受到損壞。隔離屏障將電路從初級側電隔離到次級側，形成單獨的接地參考，實現所謂的電流隔離。這可以防止不需要的AC或DC信號從一側傳輸到另一側，從而損壞電源組件。

碳化硅加工工藝研究

SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義。

硬脆材料的研磨機理

對硬脆材料進行研磨，磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時，隨著研磨加工的進行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達到表面去除的目的。 ? ?

因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小，對磨粒施加載荷時，會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。

由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制，磨削后晶圓表面出現損傷、微裂紋和殘余應力，碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現象。

碳化硅的拋光加工研究

目前碳化硅的拋光方法主要有：機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光（CMP）、電化學拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。

化學機械拋光（CMP）技術是目前半導體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響，結果表明：旋轉速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。

目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題，且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜，目前仍處在實驗室范圍內，批量生產的實現可能性不大。人類1905年第一次在隕石中發現碳化硅，現在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。碳化硅加工工藝流程碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT）生長碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。①原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在2,000℃以上的高溫下反應合成碳化硅顆粒。再經過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅微粉原料。②晶體生長。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長爐，采用物理氣相傳輸法（PVT法）生長碳化硅晶體。其生長原理如下圖所示： ? ?

將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長爐內圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過電磁感應將坩堝加熱至2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的Si2C、SiC2、Si等物質，在溫度梯度驅動下到達溫度較低的籽晶處，并在其上結晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。③晶錠加工。將制得的碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進行定向，之后磨平、滾磨，加工成標準直徑尺寸的碳化硅晶體。④晶體切割。使用多線切割設備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm的薄片。⑤晶片研磨。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。⑥晶片拋光。通過機械拋光和化學機械拋光方法得到表面無損傷的碳化硅拋光片。⑦晶片檢測。使用光學顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測碳化硅晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標，據此判定晶片的質量等級。 ? ?

⑧晶片清洗。以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內，形成可供下游即開即用的碳化硅晶片。

碳化硅襯底制備技術包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和HTCVD法（高溫氣相化學沉積法）等，目前國際上基本采用PVT法制備碳化硅單晶。SiC單晶生長經歷3個階段，分別是Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC高溫升華分解特性，可采用升華法即Lely法來生長SiC晶體，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環境溫度為2500℃的條件下進行升華生長，可以生成片狀SiC晶體。但Lely法為自發成核生長方法，較難控制所生長SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來又出現了改良的Lely法，即PVT法（物理氣相傳輸法），其優點在于：采用SiC籽晶控制所生長晶體的晶型，克服了Lely法自發成核生長的缺點，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長較大尺寸的SiC單晶。

圖1：SiCPVT法單晶生長原理圖 ? ?

來源：CNKI、DT新材料

◆為何半絕緣型與導電型碳化硅襯底技術壁壘都比較高？

PVT方法中SiC粉料純度對晶片質量具有較大影響。粉料中一般含有極微量的氮（N），硼（B）、鋁（Al）、鐵（Fe）等雜質，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產生游離的空穴。為了制備n型導電碳化硅晶片，在生長時需要通入氮氣，讓它產生的一部分電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），另外的游離電子使碳化硅表現為n型導電。為了制備高阻不導電的碳化硅（半絕緣型），在生長時需要加入釩（V）雜質，釩既可以產生電子，也可以產生空穴，讓它產生的電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），它產生的空穴中和掉氮產生的電子，所以所生長的碳化硅幾乎沒有游離的電子、空穴，形成高阻不導電的晶片（半絕緣型）。摻釩工藝復雜，所以半絕緣碳化硅很難制備，成本很高。近年來也出現了通過點缺陷來實現高阻半絕緣碳化硅的方法。p型導電碳化硅也不容易制備，特別是低阻的p型碳化硅更不容易制備。

晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化硅晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產線。

在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。 ? ?

圖表來源：IHSMarket

近年來新能源汽車驅動碳化硅行業高速成長，較傳統的燃油汽車相比，新能源汽車半導體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統燃油汽車。

根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。

隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節省大量成本。

碳化硅產業鏈

半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件”結構。

碳化硅產業鏈也可分為三個環節：分別是上游襯底，中游外延片和下游器件制造。 ? ?

碳化硅上游——襯底

碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。

碳化硅晶片作為半導體襯底材料，長晶難度大，技術壁壘高，毛利率可達50%左右。

已已經過外延生長、器件制造等環節，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件。晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大。

碳化硅晶片產業鏈：

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圖表來源：天科合達招股說明書

襯底常用Lely法制造，國際主流采用6英寸晶圓，正向8英寸晶圓過渡；國內襯底以4英寸為主，主要用于10A以下小電流產品。

全球碳化硅市場呈現寡頭壟斷局面，歐美日企業領先美國全球獨大，全球SiC產量的70%~80%來自美國公司。

海外碳化硅單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等。

其中CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產線。

國內企業也在積極研發和探索碳化硅器件的產業化，已經形成相對完整的碳化硅產業鏈體系。

中國企業在單晶襯底方面以4英寸為主，目前已經開發出了6英寸導電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。

以天科合達和山東天岳為主的SiC晶片廠商發展速度較快，市占率提升明顯。三安光電在SiC方面也在深度布局。

山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

華潤微擁有3條6英寸產線和一條正在建設的12英寸產線，并擁有國內首條實現商用量產的6英寸碳化硅晶圓生產線。

露笑科技2020年引進碳化硅重磅研發團隊并聯合合肥政府共同投資碳化硅。

碳化硅中游--外延

外延常用PECVD法制造。

國外外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、羅姆、三菱電機、英飛凌等；器件方面相關主要企業包括英飛凌、CREE、羅姆、意法半導體等。國內從事外延片生長的企業包括廈門瀚天天成和東莞天域半導體等；從事碳化硅器件設計制造的企業包括泰科天潤、華潤微、綠能芯創、上海詹芯、基本半導體、中國中車等。 ? ?

同時從事外延生長和器件制作的企業包括中電科五十五所、中電科十三所和三安集成等。

外延片方面，中國瀚天天成、東莞天域半導體、國民天成均可供應4-6英寸外延片。模塊方面有斯達半導體、比亞迪電子、中車時代電氣等公司。

碳化硅下游--器件

下游器件的制造效率越高、單位成本越低。

器件領域國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產，Cree已開始布局8英寸產線，國內企業碳化硅MOSFET還有待突破，產線在向6英寸過渡。

碳化硅器件領域代表性的企業中，目前來看在國際上技術比較領先的是美國的Cree，其覆蓋了整個碳化硅產業鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術。

下游碳化硅器件市場，美國Cree占據最大市場份額，達26%，其次為羅姆和英飛凌，分別占據21%和16%的市場份額。 ? ?

英飛凌已經推出了采用轉模封裝的1200V碳化硅（SiC）集成功率模塊（IPM），并大規模推出了SiC解決方案。

國內廠商主要有器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣等；模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣目前碳化硅市場處于起步階段。

碳化硅功率器件產業鏈公司梳理：

資料來源：銀河證券

Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規模可達14億美元。

在未來的10年內，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業及電動汽車領域。 ? ?

資料來源：Yole,中信建投

碳化硅芯片怎么制造

面向未來的碳化硅芯片要如何制造？這就不得不提到一個概念：元胞。一般來說，芯片是晶圓切割完成的半成品。每片晶圓集成了數百顆芯片（數量取決于芯片大小），每顆芯片由成千上萬個元胞組成。那元胞究竟要如何制造呢？

第一步

注入掩膜。首先清洗晶圓，淀積一層氧化硅薄膜，接著通過勻膠、曝光、顯影等工藝步驟形成光刻膠圖形，最后通過刻蝕工藝將圖形轉移到刻蝕掩膜上。

第二步

離子注入。將做好掩膜的晶圓放入離子注入機，注入高能離子。之后移除掩膜，進行退火以激活注入離子。

第三步 ? ?

制作柵極。在晶圓上依次淀積柵氧層、柵電極層形成門級控制結構。

第四步

制作鈍化層。淀積一層絕緣特性良好的電介質層，防止電極間擊穿。

第五步 ? ?

制作漏源電極。在鈍化層上開孔，并濺射金屬形成漏源電極。

當漏源電極和柵源電極之間加正壓時，溝道開啟，電子從源極流向漏極，產生從漏極流向源極的電流。至此，一個基本的功率器件即元胞就制作完成了。成千上萬的元胞組成芯片，再集成到晶圓襯底，就有了像彩虹一樣燦爛的晶圓！

而晶圓的碳化硅襯底，則是由物理氣相傳輸法（PVT）制備，經碳化硅粉料的分解與升華、氣體的傳輸與沉積、切磨拋一系列工序而成。 ? ?

碳化硅應用領域

目前碳化硅（SiC）半導體仍處于發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致碳化硅器件可靠性下降。

另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。

汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。碳化硅功率器件的應用領域在持續的拓展。 ? ?

新能源汽車產業作為一個體量快速增長、技術持續革新的戰略新興產業，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的舞臺，國內產業鏈內有望涌現多家技術領先型的黑馬企業。

特斯拉Model3是第一個集成全SiC功率模塊的車企，主要采購意法半導體的650V碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。

比亞迪車規級的IGBT已經走到5代，碳化硅Mosfet已經走到3代，第4代正在開發當中，目前在規劃自建產線。若如期實現，比亞迪將繼續維持國內三電技術領先的地位，并且在續航表現上與其他國內車企拉開一大截。

5G基站方面，對碳化硅襯底也有較大需求。

根據Yole和CREE預測，受益5G的普及與5G基站的建設，碳化硅基氮化鎵外延功率器件市場規模將從2018年6.45億美金增長到2024年的20億美金，年均復合增速達20.76%，2027年市場規模有望達到35億美金。

碳化硅功率半導體存在的問題

盡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、碳化硅器件制造工藝難度較高、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。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制備技術仍不成熟。

目前國際上碳化硅芯片的制造已經從4英寸換代到6英寸，并已經開發出了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后。

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，技術開發滯后。

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。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，已經開始批量采用本土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，由于受單晶襯底材料的局限，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。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，開始了小范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，這使得制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SiCMOSFET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制造芯片的弊病，容易受制于人，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采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。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，并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：采用多芯片并聯的碳化硅功率模塊，由于結電容小、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后。

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。碳化硅功率半導體存在的問題盡管碳化硅功率器件應用前景廣闊，但是目前受限于價格過高等因素，迄今為止，市場規模并不大，應用范圍并不廣，主要集中于光伏、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于發展狀態，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。

封裝技術滯后。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。技術發展趨勢行業正在破除高成本、低技術成熟度兩大發展屏障如上所述，碳化硅器件性能優勢突出、應用場景明確、又有產業鏈上下游龍頭企業積極投入，可目前市場滲透率仍低。究其原因，即為受制于高制造成本、低技術成熟度兩大屏障。破此二障，是技術發展方向的核心。

碳化硅器件制造的四個環節（襯底制作，外延制作、芯片制程、封裝測試）各有發力。

1）碳化硅器件制造成本高昂。目前碳化硅二極管、MOSFET的成本大概是同類硅產品的2-3倍、5-10倍，而下游客戶認為大規模應用碳化硅器件的普遍價格區間應是同類硅器件1.5倍左右。成本高企的主要因素是原材料價格高，尤其是占標準碳化硅器件成本50%的襯底晶圓。碳化硅原材料的特性決定了高于硅晶圓的制備難度和成本。制備溫度方面，碳化硅襯底需要在2500度高溫設備下進行生產，而硅晶只需1500度；生產周期方面，碳化硅晶圓約需要7至10天，而硅晶棒只需要2天半；商業化晶圓尺寸方面，目前碳化硅晶圓主要是4英寸與6英寸，而用于功率器件的硅晶圓以8英寸為主，這意味著碳化硅單晶片所產芯片數量較少、碳化硅芯片制造成本較高。技術演進方向：襯底方面，國外龍頭企業預計將在2022年左右開始批量生產8寸晶片；外延及器件方面，將繼續提高產能及制造良品率。

2）碳化硅產業發展時間不長，有待更多應用驗證。碳化硅不像硅產業，已在幾十年的研究中積累了一套很完整的數據。碳化硅的很多性能結論都是由硅的性質推導而來，不少特性數據有待進一步實證。此外，碳化硅功率器件的產品組合尚未完善。從整個功率半導體市場來看，功率器件種類多樣，主要包括二極管、MOSFET、IGBT等，分別適用于不同的領域。但是目前，碳化硅器件市場還以二極管為主，MOSFET尚未大規模推廣，IGBT仍在研發。碳化硅二極管主要用于替代硅二極管，結構復雜度較低，現已大規模商用化，2019年碳化硅二極管的碳化硅器件市場占比達到85%，可謂是目前最主要的碳化硅器件。碳化硅MOSFET可替代硅基IGBT，大規模應用仍受限于產品性能穩定性及器件成熟性。碳化硅IGBT尚在研發，預計將在5-10年后才能看到相關器件原型。 ? ?

技術演進方向：器件方面，正在發展3.3kv以上的高耐壓器件、并引入溝槽式設計以提高器件性能和可靠性；封裝方面，將優化封裝工藝以發揮碳化硅耐高溫優勢。

在電動汽車領域，主逆變器功率器件由IGBT替換成碳化硅之后，采購成本確實上升了將近1500元，但是卻帶來了整車效率的提升，導致電池裝機量的下降，從電池端把成本又省回來了。例如，80度電的中高端純電車型，按照5%的效率提升，可節省約4度電池裝機量。按照目前三元鋰電的成本，電池端就可以節省4000元。里外里這么一算賬，單車成本反而下降了不少。

而且，如果碳化硅模塊成為了主流配置，由于規模效應，價格自然也會降下來，甚至降到與目前主流IGBT同樣的水平。

碳化硅SiC-MOSFET

器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。

IGBT通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數載流子的積聚，在Turn-off時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以MOSFET實現高耐壓和低阻抗。

而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現散熱部件的小型化。

另外，SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現無源器件的小型化。

與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優勢在于芯片面積小（可實現小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。

主要應用于工業機器電源、高效率功率調節器的逆變器或轉換器中。

標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現高耐壓。

因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到標準化導通電阻（單位面積導通電阻）更低的器件。

例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現相同的導通電阻。

不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。

因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

VD-ID特性

SiC-MOSFET與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現低導通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時導通電阻上升為室溫條件下的2倍以上，與Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

※該數據是ROHM在相同條件下測試的結果，僅供參考。此處表示的特性本公司不做任何保證。

驅動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現在的技術水平，SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si器件要高。

因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻（VCS=20V以上則逐漸飽和）。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驅動電壓VGS=10~15V不能發揮出SiC本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用VGS=18V左右進行驅動。

全球產能競爭格局

中國是碳化硅最大的原料生產國和消費國。在產業鏈條上，下游生產商往往因為靠近客戶，而掌握了更多的話語權。

科銳一直是碳化硅材料（非原料）的最大生產商。在基底材料制造上，這兩年科銳從80%全球占有率一路滑落至去年底的45%，仍然是最大玩家，但絕對統治力消失了。

美國的II-VI（13%），日本的羅姆（20%）、昭和電工（8%），中國的天科合達（5%）、山東天岳（3%）等紛紛挑戰科銳，一時間群雄并起。

從2012年到2019年，昭和電工6次擴張碳化硅晶片產能，目前是每月9000片。

今年6月，昭和電工與最大的下游碳化硅晶片設計生產商英飛凌簽署供貨合約。而美國GTadvanced、德國Sicrystal等企業也都拿到了英飛凌、意法半導體等大廠的供貨合約，進一步分割碳化硅市場的份額。

2021年，美國II-VI一度充當臺積電在上一代半導體的角色，在福州投資碳化硅襯底加工線。未來5年，II-VI福州產能將在中國扮演重要角色。

中國企業市占率在去年提升了360%，將半絕緣襯底考慮進去的話，市占率達到10%，比上一代半導體局面（5.9%）好得多。

整個碳化硅鏈條上，中企掌握原料（50%全球市場份額），美國控制材料，歐洲大廠（英飛凌、羅姆、意法半導體）控制晶片和芯片制造，中國則占據應用市場的至少半壁江山。

審核編輯：黃飛

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