第三代半導體之碳化硅：半導體的黃金時代

    第三代半導體產業鏈中技術發展較快、市場前景空間廣闊、已經實際應用、國內追趕最緊的其中一個鏈條：碳化硅。碳化硅的優勢

硅，是制造半導體芯片及器件最為主要的原材料，因自然界儲量大、制備相對簡單等優點，成為了目前制造半導體芯片和器件最為主要的原材料，目前90%以上的半導體產品是以硅為襯底制成的。然而受材料本身特性的限制，硅基功率器件已經漸漸難以滿足5G 基站、新能源車及高鐵等新興應用對器件高功率及高頻性能的需求。因此，第三代半導體材料中的碳化硅（SiC）有望部分替代硅，成為制備高壓及高頻器件新的襯底材料。而其他領域仍將以硅為主流，短期內不會被替代。

    第三代半導體材料和傳統硅材料主要的區別在禁帶寬度上。禁帶寬度是判斷一種半導體材料擊穿電壓高低的重要指標，禁帶寬度數值越大，則該種材料制成器件的耐高壓能力越強。以碳化硅為代表的第三代半導體材料往往具備更寬的禁帶寬度，因此也被稱為寬禁帶半導體材料（大于2.3eV）。

    由于氮化鎵在材料制備環節仍有技術難度，當前具備大規模量產條件的可用于制備功率器件的第三代半導體材料僅有碳化硅。

根據有關數據，4H型碳化硅的禁帶寬度為3.2eV，是硅材料禁帶寬度1.1eV 的約3倍，這使得其擊穿電場強度達到了硅的約7倍，非常適合用來制備功率器件。除此之外，碳化硅基功率器件在開關頻率、散熱能力、損耗等指標上也遠好于硅基器件。碳化硅材料具有更高的飽和電子遷移速度、更高的熱導率、更低的導通阻抗。

1、阻抗更低，可以縮小產品體積，提高轉換效率；2、頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達硅基器件的10 倍，而且效率不隨著頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；3、能在更高的溫度下運行，同時冷卻系統可以做的更簡單。碳化硅功率器件工作溫度可達600℃以上，是同等硅器件的4倍，可以承受更加極端的工作環境。

根據ROHM 的數據，一款5kW 的 LLC DC/DC 轉換器，其電源控制板由碳化硅替代硅基器件后，重量從7kg 減少到0.9kg，體積從8755cc 降低到1350cc。碳化硅器件尺寸僅為同規格硅器件的1/10，碳化硅MOSFET 系統能量損失小于硅基IGBT 的1/4，這些優勢能夠為終端產品帶來顯著的性能提升。根據CREE 的數據，相同的電池下搭載了碳化硅MOSFET 的電動車比使用硅基IGBT 的電動車續航里程增加了5%~10%。

應用市場廣闊

碳化硅襯底依電阻率不同分為導電型和半絕緣型兩類，分別外延沉積碳化硅和氮化鎵后，用于功率器件和射頻器件的制作。

目前主流的器件種類為：功率器件（碳化硅基碳化硅）和射頻器件（碳化硅基氮化鎵），可以說需要高壓和高頻器件的應用場景都是碳化硅潛在替代的市場。

1、功率器件（電力電子領域）

應用一：電動車逆變器、充電樁

電動車逆變器是碳化硅功率器件最主要的市場，相同功率下碳化硅模塊封裝尺寸更小，損耗更低。碳化硅功率器件成為提升電動車延長行駛里程、縮短充電時間、增大電池容量的重要手段。

特S拉是全球第一家將碳化硅 MOSFET 應用于商用車主逆變器的廠商，Model 3 的主逆變器采用了意法半導體生產的 24 個碳化硅MOSFET 功率模塊。比Y迪也迅速跟進，在EV上搭載了自主研發的碳化硅功率模塊。碳化硅器件也可應用于充電樁，以減小充電樁體積，提高充電速度。

應用二：光伏逆變器

光伏發電系統中，硅基逆變器成本占系統的10%，但卻是系統能量損耗的主要來源。使用碳化硅MOSFET功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，從而縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。

應用三：軌道交通

軌道交通車輛中大量應用功率半導體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機都有使用碳化硅器件的需求。其中牽引變流器是機車大功率交流傳動系統的核心裝備，碳化硅器件的應用可以提高牽引變流器裝置效率，提升系統整體效能。

日本急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機3300V/1500A 全碳化硅功率模塊逆變器，開關損耗降低55%、體積和重量減少65%，電能損耗降低20%至36%。

2、射頻器件（軍工及通訊領域）

射頻器件是無線通信的核心部件，包括射頻開關、LNA、功率放大器和濾波器等。其中功率放大器直接影響基站信號傳輸距離及信號質量。硅基LDMOS器件已經應用多年，但主要應用于4GHz 以下的低頻領域。

5G通訊高頻、高速和高功率的特點對功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化硅基氮化鎵具有良好的導熱性能、高頻率、高功率等優勢，成為5G通訊系統、新一代有源相控陣雷達等系統的核心射頻器件，有望替代硅基LDMOS。

根據預測，2025年功率在3W以上的射頻器件中，砷化鎵器件市場份額保持不變，碳化硅基氮化鎵將替代大部分硅基LDMOS，占市場50%左右的份額。

物聯網的新增需求是最重要的驅動力

其對傳統硅基功率器件的替代是順應時代和科技趨勢的必然。下游需求的熱點已經逐步從智能手機和4G為代表的移動互聯網時代，轉向智能汽車和5G為代表的的物聯網時代，新時代背景下大放異彩的機會已經來臨。

當然，碳化硅器件目前價格還較高，例如從襯底角度來看，受碳化硅生長速度較慢的影響，一片6寸的碳化硅晶圓價格在1000美元以上，是同尺寸硅晶圓價格的20倍以上。不過，據第三代半導體產業技術創新戰略聯盟表示，其與傳統產品價差正在持續縮小。價格下降幅度會顯著提高碳化硅器件的替代速度，從而反向刺激需求，形成正向循環。

碳化硅產業鏈的主要公司

碳化硅器件產業鏈主要由上游襯底材料及外延、中游器件制造、下游應用，以及各環節所用設備構成。目前產業的參與者主要以兩類海外廠商為主：

1、傳統功率半導體龍頭：英飛凌（歐洲）、意法半導體（歐洲）、三菱電機（日本）、安森美（美國）、瑞薩電子（日本）、羅姆（日本）等。

2、具備光電子和光通信材料技術的公司：CREE（美國）、道康寧（美國）、II-VI（貳陸公司，美國）、昭和電工（日本）等。這些公司依靠在材料領域積累的優勢，從材料端切入了碳化硅產業鏈，并基本實現從襯底到外延的連續布局。其中，科銳、羅姆兩家廠商具備了從材料端到器件生產端的全流程覆蓋，具備產業鏈中最強的實力。其他廠商大多專注于其中的1~2 個環節。

國內廠商追趕進度明顯、產業鏈布局完善，各環節都出現了參與者：

襯底環節：天科合達、山東天岳、同光晶體等，已實現4英寸襯底商業化，向6英寸發展；

外延環節：瀚天天成、東莞天域等；

器件環節：泰科天潤、華潤微、基本半導體等。

其中三安集成、世紀金光等也成功實現了產業鏈貫通，進行了全流程布局。

工藝難度和壁壘來看，碳化硅無論是材料還是器件的制造，難度都顯著高于傳統硅基。其中大部分的難度是碳化硅材料高熔點和高硬度所需特殊工藝帶來的。碳化硅器件的生產環節主要包括襯底制備、外延和器件制造封測三大步驟。各步驟中難度和價值量最高的是襯底制備環節，而襯底制備環節中晶體生長是最困難的步驟。

“襯底”環節，美國企業CREE全球獨大。2018年美國占全球碳化硅晶片產量的70%以上，科銳獨自占據一半以上市場份額，前三家企業合計占90%的份額。用于制備射頻器件的半絕緣型襯底方面，2020年科銳和貳陸合計占近70%的市場份額。但國內企業山東天岳已經以30%的市占率位列第三，縮小了與國外巨頭的差距。

技術方面，科銳和貳陸公司已經成功研發8寸襯底，國內企業產品集中在4寸和6寸。

“器件”領域，也主要掌握在CREE、羅姆兩大全產業鏈覆蓋的龍頭，以及英飛凌、意法半導體等功率龍頭手中。

國內企業已抓緊布局碳化硅器件制造，據不完全統計，2020年國內投產3條6英寸SiC晶圓產線，截至2020年底，國內至少已有8條6英寸SiC 晶圓制造產線（包括中試線），另有約多條SiC 生產線正在建設。

國內半導體廠大力布局第三代半導體行業，意義非凡。是中國半導體（尤其是功率和射頻器件）追趕的極佳突破口，碳化硅有望引領中國半導體進入黃金時代。

                                       （本文引自已發表的文章）