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,、激光器和探測器件,、太陽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、外延層生長以及器件/芯片制造,，分別對應(yīng)襯底,、外延和器件/芯片。后文會圍繞這三個方面,，對碳化硅產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化發(fā)展進(jìn)行討論,。

對應(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)的國外核心企業(yè),，主要是美國CREE，美國 II-VI,，和日本昭和電工,，三者合計占據(jù)75%以上的市場。技術(shù)上,，正在從 4 英寸襯底向 6 英寸過渡,，8 英寸硅基襯底在研。

國內(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20萬片/年,。其中，中電科2所于2018年在國內(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,。并將其加入到代工服務(wù)組合中,。

2020年07月19，三安光電在長沙的第三代半導(dǎo)體項目開工,，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,、國宏中晶簽訂合作協(xié)議，投資建設(shè)碳化硅長晶生產(chǎn)線項目,。該項目總投資10億元,，項目分兩期建設(shè)，一期投資約5億元,，預(yù)計2019年6月建成投產(chǎn),，建成后可年產(chǎn)5萬片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)，至少四家在未來幾年可以啟動工程化和大規(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%。因此屬于國家隊的研發(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)的國外核心企業(yè)，主要以美國的Cree,、 DowCorning,、II-VI、日本的羅姆,、三菱電機(jī),，德國的Infineon 等為主。其中,，美國公司就占據(jù)全球70-80%的份額,。技術(shù)上也在向6英寸為主的方向過渡。

國內(nèi)碳化硅外延片的生產(chǎn)商，主要瀚天天成,、東莞天域,、國民技術(shù)子公司國民天成、世紀(jì)金光,，以及國字號的中電科13所和55所,。目前國內(nèi)外延片也是以提供4英寸的產(chǎn)品為主，并開始提供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,。

國民技術(shù)在2017年8月15日發(fā)布公告,，投資監(jiān)理成都國民天成化合物半導(dǎo)體有限公司，建設(shè)和運(yùn)營6英寸第二代和第三代半導(dǎo)體集成電路外延片項目,，項目首期投資4.5億元,。

三、碳化硅器件

碳化硅器件生產(chǎn)的國外核心企業(yè),，是市占率18.5%的美國英飛凌Infineon,，和以安森美領(lǐng)銜的第二梯隊，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,、株洲中車時代、中電科55所,、中電科13所,、泰科天潤、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、中車時代電氣,，等等,。

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

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

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

比如：泰科天潤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,，泰科天潤已建成國內(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年華潤微也向市場發(fā)布了其第一代SiC工業(yè)級肖特基二極管(1200V、650V)系列產(chǎn)品,，算是我國在高壓器件國產(chǎn)化方面的一個示例,。

最后補(bǔ)充一點(diǎn)。上面是三個方面分別介紹的,。實(shí)際上,，國內(nèi)能從襯底-外延片和器件三個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,，如果將國字號的所有院所企業(yè)合起來，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，我國碳化硅生產(chǎn)設(shè)備也大量來自進(jìn)口美歐日的產(chǎn)品,。比如,，外延片生產(chǎn)國內(nèi)第一的瀚天天成公司,，碳化硅外延晶片生長爐和各種進(jìn)口高端檢測設(shè)備都是引進(jìn)德國Aixtron公司的，外延生長技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平的東莞天域公司,，其核心的四臺SiC-CVD及配套檢測設(shè)備也都是進(jìn)口產(chǎn)品,。

碳化硅的設(shè)備國產(chǎn)化在這兩年也有一些進(jìn)展。

比如用于襯底生產(chǎn)的單晶生長設(shè)備——硅長晶爐：2019年11月26日,，露笑科技與中科鋼研,、國宏中宇簽署合作協(xié)議，依托中科鋼研及國宏中宇在碳化硅晶體材料生長工藝技術(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設(shè)備設(shè)計技術(shù)及豐富的裝備制造技術(shù)與經(jīng)驗,，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別的碳化硅長晶設(shè)備,，目前首批2臺套升華法碳化硅長晶爐已經(jīng)完成設(shè)備性能驗收交付使用。

2020年2月28日,，中國電科(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。據(jù)報道,，基地一期項目可容納600臺碳化硅單晶生長爐,，項目建成后將具備年產(chǎn)10萬片4-6英寸N型(導(dǎo)電型)碳化硅單晶晶片、5萬片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。在客戶處4寸工藝驗證通過,，正在進(jìn)行6寸工藝驗證,。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部分客戶產(chǎn)品性能測試,，技術(shù)驗證通過,，具有外延層厚度均勻性和電阻率均勻性高的特點(diǎn)，各項技術(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(高壓高功率場景)器件領(lǐng)域,，基本上仍掌握在西方國家手里,，SiC產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)美、日,、歐三足鼎立的競爭格局,，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。

我國在碳化硅領(lǐng)域,，過去一直呈現(xiàn)較大的救贖代差,，落后國際水平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。

襯底方面,，4家廠商研發(fā)成功6英寸產(chǎn)品并啟動了工業(yè)化生產(chǎn),，8英寸襯底初步研發(fā)成功。與國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)在市場上,，但8英寸產(chǎn)品的研發(fā)成功尚未見到公開報道。本土外延片的第一廠商瀚天天成公司,，是與美國合資的,，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,。國內(nèi)核心設(shè)備正在加緊國產(chǎn)化,。但檢測設(shè)備與國內(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)體的國產(chǎn)化比第二代半導(dǎo)體要稍微樂觀一些：

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

從技術(shù)上說,，大量工藝問題和材料問題仍然亟待業(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)化成本上來說,，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,，市場售價2000美元,。而12吋的二代硅晶圓的平均單價在110美元。而下游器件市場上,，碳化硅器件的市場價格,，約為硅材料制造的5到6倍。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,，碳化硅器件的價格只有不高于硅器件的2倍,，才有可能具有真正的市場競爭優(yōu)勢。

因此,，碳化硅和第三代半導(dǎo)體,，在整個行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過程中發(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,，潛在市場的荒原依然巨大,。

其次，我國是碳化硅最大的應(yīng)用市場,。

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)用場景,，都以我國作為最大主場,。

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