第三代 半导体: 碳化硅

第三代半导体之碳化硅：半导体的黄金时代

    第三代半导体产业链中技术发展较快、市场前景空间广阔、已经实际应用、国内追赶最紧的其中一个链条：碳化硅。碳化硅的优势

硅，是制造半导体芯片及器件最为主要的原材料，因自然界储量大、制备相对简单等优点，成为了目前制造半导体芯片和器件最为主要的原材料，目前90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。然而受材料本身特性的限制，硅基功率器件已经渐渐难以满足5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。因此，第三代半导体材料中的碳化硅（SiC）有望部分替代硅，成为制备高压及高频器件新的衬底材料。而其他领域仍将以硅为主流，短期内不会被替代。

    第三代半导体材料和传统硅材料主要的区别在禁带宽度上。禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要指标，禁带宽度数值越大，则该种材料制成器件的耐高压能力越强。以碳化硅为代表的第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度，因此也被称为宽禁带半导体材料（大于2.3eV）。

    由于氮化镓在材料制备环节仍有技术难度，当前具备大规模量产条件的可用于制备功率器件的第三代半导体材料仅有碳化硅。

根据有关数据，4H型碳化硅的禁带宽度为3.2eV，是硅材料禁带宽度1.1eV 的约3倍，这使得其击穿电场强度达到了硅的约7倍，非常适合用来制备功率器件。除此之外，碳化硅基功率器件在开关频率、散热能力、损耗等指标上也远好于硅基器件。碳化硅材料具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率、更低的导通阻抗。

1、阻抗更低，可以缩小产品体积，提高转换效率；2、频率更高，碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10 倍，而且效率不随着频率的升高而降低，可以降低能量损耗；3、能在更高的温度下运行，同时冷却系统可以做的更简单。碳化硅功率器件工作温度可达600℃以上，是同等硅器件的4倍，可以承受更加极端的工作环境。

根据ROHM 的数据，一款5kW 的 LLC DC/DC 转换器，其电源控制板由碳化硅替代硅基器件后，重量从7kg 减少到0.9kg，体积从8755cc 降低到1350cc。碳化硅器件尺寸仅为同规格硅器件的1/10，碳化硅MOSFET 系统能量损失小于硅基IGBT 的1/4，这些优势能够为终端产品带来显著的性能提升。根据CREE 的数据，相同的电池下搭载了碳化硅MOSFET 的电动车比使用硅基IGBT 的电动车续航里程增加了5%~10%。

应用市场广阔

碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类，分别外延沉积碳化硅和氮化镓后，用于功率器件和射频器件的制作。

目前主流的器件种类为：功率器件（碳化硅基碳化硅）和射频器件（碳化硅基氮化镓），可以说需要高压和高频器件的应用场景都是碳化硅潜在替代的市场。

1、功率器件（电力电子领域）

应用一：电动车逆变器、充电桩

电动车逆变器是碳化硅功率器件最主要的市场，相同功率下碳化硅模块封装尺寸更小，损耗更低。碳化硅功率器件成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间、增大电池容量的重要手段。

特S拉是全球第一家将碳化硅 MOSFET 应用于商用车主逆变器的厂商，Model 3 的主逆变器采用了意法半导体生产的 24 个碳化硅MOSFET 功率模块。比Y迪也迅速跟进，在EV上搭载了自主研发的碳化硅功率模块。碳化硅器件也可应用于充电桩，以减小充电桩体积，提高充电速度。

应用二：光伏逆变器

光伏发电系统中，硅基逆变器成本占系统的10%，但却是系统能量损耗的主要来源。使用碳化硅MOSFET功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

应用三：轨道交通

轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，碳化硅器件的应用可以提高牵引变流器装置效率，提升系统整体效能。

日本急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%、体积和重量减少65%，电能损耗降低20%至36%。

2、射频器件（军工及通讯领域）

射频器件是无线通信的核心部件，包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。其中功率放大器直接影响基站信号传输距离及信号质量。硅基LDMOS器件已经应用多年，但主要应用于4GHz 以下的低频领域。

5G通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化硅基氮化镓具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势，成为5G通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射频器件，有望替代硅基LDMOS。

根据预测，2025年功率在3W以上的射频器件中，砷化镓器件市场份额保持不变，碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基LDMOS，占市场50%左右的份额。

物联网的新增需求是最重要的驱动力

其对传统硅基功率器件的替代是顺应时代和科技趋势的必然。下游需求的热点已经逐步从智能手机和4G为代表的移动互联网时代，转向智能汽车和5G为代表的的物联网时代，新时代背景下大放异彩的机会已经来临。

当然，碳化硅器件目前价格还较高，例如从衬底角度来看，受碳化硅生长速度较慢的影响，一片6寸的碳化硅晶圆价格在1000美元以上，是同尺寸硅晶圆价格的20倍以上。不过，据第三代半导体产业技术创新战略联盟表示，其与传统产品价差正在持续缩小。价格下降幅度会显著提高碳化硅器件的替代速度，从而反向刺激需求，形成正向循环。

碳化硅产业链的主要公司

碳化硅器件产业链主要由上游衬底材料及外延、中游器件制造、下游应用，以及各环节所用设备构成。目前产业的参与者主要以两类海外厂商为主：

1、传统功率半导体龙头：英飞凌（欧洲）、意法半导体（欧洲）、三菱电机（日本）、安森美（美国）、瑞萨电子（日本）、罗姆（日本）等。

2、具备光电子和光通信材料技术的公司：CREE（美国）、道康宁（美国）、II-VI（贰陆公司，美国）、昭和电工（日本）等。这些公司依靠在材料领域积累的优势，从材料端切入了碳化硅产业链，并基本实现从衬底到外延的连续布局。其中，科锐、罗姆两家厂商具备了从材料端到器件生产端的全流程覆盖，具备产业链中最强的实力。其他厂商大多专注于其中的1~2 个环节。

国内厂商追赶进度明显、产业链布局完善，各环节都出现了参与者：

衬底环节：天科合达、山东天岳、同光晶体等，已实现4英寸衬底商业化，向6英寸发展；

外延环节：瀚天天成、东莞天域等；

器件环节：泰科天润、华润微、基本半导体等。

其中三安集成、世纪金光等也成功实现了产业链贯通，进行了全流程布局。

工艺难度和壁垒来看，碳化硅无论是材料还是器件的制造，难度都显著高于传统硅基。其中大部分的难度是碳化硅材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的。碳化硅器件的生产环节主要包括衬底制备、外延和器件制造封测三大步骤。各步骤中难度和价值量最高的是衬底制备环节，而衬底制备环节中晶体生长是最困难的步骤。

“衬底”环节，美国企业CREE全球独大。2018年美国占全球碳化硅晶片产量的70%以上，科锐独自占据一半以上市场份额，前三家企业合计占90%的份额。用于制备射频器件的半绝缘型衬底方面，2020年科锐和贰陆合计占近70%的市场份额。但国内企业山东天岳已经以30%的市占率位列第三，缩小了与国外巨头的差距。

技术方面，科锐和贰陆公司已经成功研发8寸衬底，国内企业产品集中在4寸和6寸。

“器件”领域，也主要掌握在CREE、罗姆两大全产业链覆盖的龙头，以及英飞凌、意法半导体等功率龙头手中。

国内企业已抓紧布局碳化硅器件制造，据不完全统计，2020年国内投产3条6英寸SiC晶圆产线，截至2020年底，国内至少已有8条6英寸SiC 晶圆制造产线（包括中试线），另有约多条SiC 生产线正在建设。

国内半导体厂大力布局第三代半导体行业，意义非凡。是中国半导体（尤其是功率和射频器件）追赶的极佳突破口，碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代。

                                       （本文引自已发表的文章）