半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：第一代半導(dǎo)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(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。

碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)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(tǒng)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(dǎo)體化合物，屬于寬帶隙(WBG)材料系列。它的物理結(jié)合力非常強(qiáng)，使半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性允許SiC器件在高于硅的結(jié)溫下使用，甚至超過(guò)200°C。碳化硅在功率應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)是其低漂移區(qū)電阻，這是高壓功率器件的關(guān)鍵因素。

碳化硅是由美國(guó)人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，當(dāng)時(shí)誤認(rèn)為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來(lái)了工業(yè)冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說(shuō)的艾奇遜爐，一直沿用至今，以碳質(zhì)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(dòng)電力電子設(shè)備的徹底變革。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導(dǎo)體的使用相對(duì)較新，這在很大程度上是由于大型和高質(zhì)量晶片的可用性。近幾十年來(lái)，人們的努力集中在開發(fā)特定且獨(dú)特的高溫晶體生長(zhǎng)工藝上。盡管SiC具有不同的多晶型晶體結(jié)構(gòu)（也稱為多型），但4H-SiC多型六方晶體結(jié)構(gòu)最適合高功率應(yīng)用。

據(jù)日經(jīng)新聞近日引述日本PatentResult公司數(shù)據(jù)所作報(bào)道顯示，日本和美國(guó)企業(yè)目前壟斷了被視為第三代半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC）相關(guān)專利的前5位。

據(jù)悉，位于日本東京的研究公司PatentResult從事專利分析，其統(tǒng)計(jì)顯示，涉足碳化硅半導(dǎo)體基板的美國(guó)科銳（Cree，現(xiàn)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(yè)，分別是：羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)（ROHMSemiconducto）、SUMITOMOELECTRIC（住友電工）集團(tuán)、三菱電機(jī)、電裝（DENSO）。 ? ?

圖片來(lái)自日經(jīng)中文網(wǎng)

該排名來(lái)自PatentResult公司整理的、截至7月29日發(fā)布的美國(guó)專利數(shù)據(jù)。

碳化硅的主要性能有哪些？

硅與碳的結(jié)合使這種材料具有出色的機(jī)械、化學(xué)和熱性能，包括：

高導(dǎo)熱性

低熱膨脹和優(yōu)異的抗熱震性

低功率和開關(guān)損耗

高能效

高工作頻率和溫度（工作溫度高達(dá)200°C結(jié)點(diǎn)）

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(zhǎng)

碳化硅在電子領(lǐng)域有哪些應(yīng)用？

碳化硅是一種非常適合電力應(yīng)用的半導(dǎo)體，這主要?dú)w功于它能夠承受高電壓，比硅可使用的電壓高十倍?；谔蓟璧陌雽?dǎo)體具有更高的熱導(dǎo)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(huì)影響可靠性。SiC器件的主要應(yīng)用，例如肖特基二極管和FET/MOSFET晶體管，包括轉(zhuǎn)換器、逆變器、電源、電池充電器和電機(jī)控制系統(tǒng)。 ? ?

為什么SiC在功率應(yīng)用中戰(zhàn)勝了Si？

盡管是電子產(chǎn)品中使用最廣泛的半導(dǎo)體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應(yīng)用中。這些應(yīng)用中的一個(gè)相關(guān)因素是半導(dǎo)體提供的帶隙或能隙。當(dāng)帶隙很高時(shí)，它使用的電子設(shè)備可以更小、運(yùn)行得更快、更可靠。它還可以在比其他半導(dǎo)體更高的溫度、電壓和頻率下運(yùn)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(chǎng)的介電擊穿強(qiáng)度比硅高約十倍，SiC可以達(dá)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(xiàn)優(yōu)于IGBT？

在大功率應(yīng)用中，過(guò)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(xiàn)的導(dǎo)通電阻。然而，這些設(shè)備提供了顯著的開關(guān)損耗，導(dǎo)致發(fā)熱問(wèn)題限制了它們?cè)诟哳l下的使用。使用碳化硅可以制造肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等器件，實(shí)現(xiàn)高電壓、低導(dǎo)通電阻和快速運(yùn)行。 ? ?

哪些雜質(zhì)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(guò)受控添加雜質(zhì)或摻雜劑，SiC可以表現(xiàn)得像半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體可以通過(guò)摻雜鋁、硼或鎵來(lái)獲得，而氮和磷的雜質(zhì)則產(chǎn)生N型半導(dǎo)體。碳化硅在某些條件下具有導(dǎo)電能力，但在其他條件下不能導(dǎo)電，這取決于紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強(qiáng)度等因素。與其他材料不同，碳化硅能夠在很寬的范圍內(nèi)控制器件制造所需的P型和N型區(qū)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(shí)現(xiàn)比硅更好的熱管理？

另一個(gè)重要參數(shù)是熱導(dǎo)率，它是半導(dǎo)體如何散發(fā)其產(chǎn)生的熱量的指標(biāo)。如果半導(dǎo)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(huì)受到限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個(gè)領(lǐng)域：碳化硅的導(dǎo)熱率為1490W/mK，而硅的導(dǎo)熱率為150W/mK。

SiC反向恢復(fù)時(shí)間與SiMOSFET相比如何？

SiCMOSFET與其硅對(duì)應(yīng)物一樣，具有內(nèi)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(fù)行為，當(dāng)二極管關(guān)斷同時(shí)承載正正向電流時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。因此，反向恢復(fù)時(shí)間(trr)成為定義MOSFET特性的重要指標(biāo)。圖2顯示了1000V基于Si的MOSFET和基于SiC的MOSFET的trr之間的比較?？梢钥闯觯琒iCMOSFET的體二極管非?？欤簍rr和Irr的值小到可以忽略不計(jì)，能量損失Err大大降低。

為什么軟關(guān)斷對(duì)于短路保護(hù)很重要？

SiCMOSFET的另一個(gè)重要參數(shù)是短路耐受時(shí)間(SCWT)。由于SiCMOSFET占據(jù)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(dǎo)致熱斷裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如，對(duì)于采用TO247封裝的1.2kVMOSFET，在Vdd=700V和Vgs=18V時(shí)的短路耐受時(shí)間約為8-10μs。隨著Vgs減小，飽和電流減小，耐受時(shí)間增加。隨著Vdd的降低，產(chǎn)生的熱量越少，耐受時(shí)間越長(zhǎng)。由于關(guān)斷SiCMOSFET所需的時(shí)間極短，當(dāng)關(guān)斷率Vgs較高時(shí)，高dI/dt會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓尖峰。因此，應(yīng)使用軟關(guān)斷來(lái)逐漸降低柵極電壓，避免出現(xiàn)過(guò)壓峰值。 ? ?

為什么隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇？

許多電子設(shè)備都是低壓電路和高壓電路，彼此互連以執(zhí)行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級(jí)側(cè)（電源、通信和控制電路）和次級(jí)側(cè)（高壓電路、電機(jī)、功率級(jí)和輔助電路）。位于初級(jí)側(cè)的控制器通常使用來(lái)自高壓側(cè)的反饋信號(hào)，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(jí)側(cè)電隔離到次級(jí)側(cè)，形成單獨(dú)的接地參考，實(shí)現(xiàn)所謂的電流隔離。這可以防止不需要的AC或DC信號(hào)從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，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(duì)其進(jìn)行機(jī)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(diǎn)，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過(guò)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(chǎn)生較為嚴(yán)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(jī)理與亞表面損傷對(duì)于提高SiC磨削加工效率和表面質(zhì)量具有重要意義。

硬脆材料的研磨機(jī)理

對(duì)硬脆材料進(jìn)行研磨，磨料對(duì)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(shí)，隨著研磨加工的進(jìn)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(jìn)行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進(jìn)行滾動(dòng)而產(chǎn)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(dá)到表面去除的目的。 ? ?

因?yàn)橛泊嗖牧系目估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要小，對(duì)磨粒施加載荷時(shí)，會(huì)在硬脆材料表面的拉伸應(yīng)力的最大處產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋延伸且相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時(shí)的切屑生成和表面形成的基本過(guò)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(shù)難點(diǎn)在于高硬度材料減薄厚度的精確測(cè)量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應(yīng)力，碳化硅晶圓減薄后會(huì)產(chǎn)生比碳化硅晶圓更大的翹曲現(xiàn)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(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、電化學(xué)拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學(xué)拋光（TCP，又稱無(wú)磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)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(jí)光滑最有效的工藝方法，是能在加工過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過(guò)研究工藝參數(shù)對(duì)SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)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(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)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(wèn)題，且無(wú)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(fù)雜，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)可能性不大。人類1905年第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來(lái)源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)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(zhǎng)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(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅微粉原料。②晶體生長(zhǎng)。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長(zhǎng)爐，采用物理氣相傳輸法（PVT法）生長(zhǎng)碳化硅晶體。其生長(zhǎng)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(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過(guò)電磁感應(yīng)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(nèi)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(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)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(jìn)行定向，之后磨平、滾磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體。④晶體切割。使用多線切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過(guò)1mm的薄片。⑤晶片研磨。通過(guò)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(guò)機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法得到表面無(wú)損傷的碳化硅拋光片。⑦晶片檢測(cè)。使用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測(cè)試儀、表面平整度測(cè)試儀、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)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(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定晶片的質(zhì)量等級(jí)。 ? ?

⑧晶片清洗。以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)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(guò)超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內(nèi)，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(shù)包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和HTCVD法（高溫氣相化學(xué)沉積法）等，目前國(guó)際上基本采用PVT法制備碳化硅單晶。SiC單晶生長(zhǎng)經(jīng)歷3個(gè)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(lái)生長(zhǎng)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(huán)境溫度為2500℃的條件下進(jìn)行升華生長(zhǎng)，可以生成片狀SiC晶體。但Lely法為自發(fā)成核生長(zhǎng)方法，較難控制所生長(zhǎng)SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來(lái)又出現(xiàn)了改良的Lely法，即PVT法（物理氣相傳輸法），其優(yōu)點(diǎn)在于：采用SiC籽晶控制所生長(zhǎng)晶體的晶型，克服了Lely法自發(fā)成核生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長(zhǎng)較大尺寸的SiC單晶。

圖1：SiCPVT法單晶生長(zhǎng)原理圖 ? ?

來(lái)源：CNKI、DT新材料

◆為何半絕緣型與導(dǎo)電型碳化硅襯底技術(shù)壁壘都比較高？

PVT方法中SiC粉料純度對(duì)晶片質(zhì)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(zhì)，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產(chǎn)生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產(chǎn)生游離的空穴。為了制備n型導(dǎo)電碳化硅晶片，在生長(zhǎng)時(shí)需要通入氮?dú)?，讓它產(chǎn)生的一部分電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），另外的游離電子使碳化硅表現(xiàn)為n型導(dǎo)電。為了制備高阻不導(dǎo)電的碳化硅（半絕緣型），在生長(zhǎng)時(shí)需要加入釩（V）雜質(zhì)，釩既可以產(chǎn)生電子，也可以產(chǎn)生空穴，讓它產(chǎn)生的電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），它產(chǎn)生的空穴中和掉氮產(chǎn)生的電子，所以所生長(zhǎng)的碳化硅幾乎沒有游離的電子、空穴，形成高阻不導(dǎo)電的晶片（半絕緣型）。摻釩工藝復(fù)雜，所以半絕緣碳化硅很難制備，成本很高。近年來(lái)也出現(xiàn)了通過(guò)點(diǎn)缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)高阻半絕緣碳化硅的方法。p型導(dǎo)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(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)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(guó)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(guó)際龍頭企業(yè)已開始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。

在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，有望成為未來(lái)最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。 ? ?

圖表來(lái)源：IHSMarket

近年來(lái)新能源汽車驅(qū)動(dòng)碳化硅行業(yè)高速成長(zhǎng)，較傳統(tǒng)的燃油汽車相比，新能源汽車半導(dǎo)體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統(tǒng)燃油汽車。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價(jià)值約700美元到1000美元。

隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長(zhǎng)點(diǎn)。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節(jié)省大量成本。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

半導(dǎo)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(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件”結(jié)構(gòu)。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈也可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：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(dǎo)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(dǎo)體襯底材料，長(zhǎng)晶難度大，技術(shù)壁壘高，毛利率可達(dá)50%左右。

已已經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)、器件制造等環(huán)節(jié)，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(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)難度越大。

碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)鏈：

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圖表來(lái)源：天科合達(dá)招股說(shuō)明書

襯底常用Lely法制造，國(guó)際主流采用6英寸晶圓，正向8英寸晶圓過(guò)渡；國(guó)內(nèi)襯底以4英寸為主，主要用于10A以下小電流產(chǎn)品。

全球碳化硅市場(chǎng)呈現(xiàn)寡頭壟斷局面，歐美日企業(yè)領(lǐng)先美國(guó)全球獨(dú)大，全球SiC產(chǎn)量的70%~80%來(lái)自美國(guó)公司。

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

其中CREE、II-VI等國(guó)際龍頭企業(yè)已開始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。

國(guó)內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)和探索碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)形成相對(duì)完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈體系。

中國(guó)企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前已經(jīng)開發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。

以天科合達(dá)和山東天岳為主的SiC晶片廠商發(fā)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(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

華潤(rùn)微擁有3條6英寸產(chǎn)線和一條正在建設(shè)的12英寸產(chǎn)線，并擁有國(guó)內(nèi)首條實(shí)現(xiàn)商用量產(chǎn)的6英寸碳化硅晶圓生產(chǎn)線。

露笑科技2020年引進(jìn)碳化硅重磅研發(fā)團(tuán)隊(duì)并聯(lián)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(guó)外外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、羅姆、三菱電機(jī)、英飛凌等；器件方面相關(guān)主要企業(yè)包括英飛凌、CREE、羅姆、意法半導(dǎo)體等。國(guó)內(nèi)從事外延片生長(zhǎng)的企業(yè)包括廈門瀚天天成和東莞天域半導(dǎo)體等；從事碳化硅器件設(shè)計(jì)制造的企業(yè)包括泰科天潤(rùn)、華潤(rùn)微、綠能芯創(chuàng)、上海詹芯、基本半導(dǎo)體、中國(guó)中車等。 ? ?

同時(shí)從事外延生長(zhǎng)和器件制作的企業(yè)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(guó)瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體、國(guó)民天成均可供應(yīng)4-6英寸外延片。模塊方面有斯達(dá)半導(dǎo)體、比亞迪電子、中車時(shí)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(lǐng)域國(guó)際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產(chǎn)，Cree已開始布局8英寸產(chǎn)線，國(guó)內(nèi)企業(yè)碳化硅MOSFET還有待突破，產(chǎn)線在向6英寸過(guò)渡。

碳化硅器件領(lǐng)域代表性的企業(yè)中，目前來(lái)看在國(guó)際上技術(shù)比較領(lǐng)先的是美國(guó)的Cree，其覆蓋了整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術(shù)。

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

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

國(guó)內(nèi)廠商主要有器件：泰科天潤(rùn)、瀚薪、揚(yáng)杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時(shí)代電氣等；模組：嘉興斯達(dá)、河南森源、常州武進(jìn)科華、中車時(shí)代電氣目前碳化硅市場(chǎng)處于起步階段。

碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈公司梳理：

資料來(lái)源：銀河證券

Yole預(yù)計(jì)2025年碳化硅射頻器件全球市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)14億美元。

在未來(lái)的10年內(nèi)，碳化硅器件有望大范圍地應(yīng)用于工業(yè)及電動(dòng)汽車領(lǐng)域。 ? ?

資料來(lái)源：Yole,中信建投

碳化硅芯片怎么制造

面向未來(lái)的碳化硅芯片要如何制造？這就不得不提到一個(gè)概念：元胞。一般來(lái)說(shuō)，芯片是晶圓切割完成的半成品。每片晶圓集成了數(shù)百顆芯片（數(shù)量取決于芯片大小），每顆芯片由成千上萬(wàn)個(gè)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(guò)勻膠、曝光、顯影等工藝步驟形成光刻膠圖形，最后通過(guò)刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)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(jī)，注入高能離子。之后移除掩膜，進(jìn)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(jí)控制結(jié)構(gòu)。

第四步

制作鈍化層。淀積一層絕緣特性良好的電介質(zhì)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(dāng)漏源電極和柵源電極之間加正壓時(shí)，溝道開啟，電子從源極流向漏極，產(chǎn)生從漏極流向源極的電流。至此，一個(gè)基本的功率器件即元胞就制作完成了。成千上萬(wàn)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(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域

目前碳化硅（SiC）半導(dǎo)體仍處于發(fā)展初期，晶圓生長(zhǎng)過(guò)程中易出現(xiàn)材料的基面位錯(cuò)，以致碳化硅器件可靠性下降。

另一方面，晶圓生長(zhǎng)難度導(dǎo)致碳化硅材料價(jià)格昂貴，預(yù)計(jì)想要大規(guī)模得到應(yīng)用仍需一段時(shí)期的技術(shù)改進(jìn)。

汽車應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發(fā)展趨勢(shì)。碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域在持續(xù)的拓展。 ? ?

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)體量快速增長(zhǎng)、技術(shù)持續(xù)革新的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，將在汽車電動(dòng)化滲透率提升的過(guò)程中為多個(gè)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域提供廣闊的舞臺(tái)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)有望涌現(xiàn)多家技術(shù)領(lǐng)先型的黑馬企業(yè)。

特斯拉Model3是第一個(gè)集成全SiC功率模塊的車企，主要采購(gòu)意法半導(dǎo)體的650V碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由24個(gè)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(guī)級(jí)的IGBT已經(jīng)走到5代，碳化硅Mosfet已經(jīng)走到3代，第4代正在開發(fā)當(dāng)中，目前在規(guī)劃自建產(chǎn)線。若如期實(shí)現(xiàn)，比亞迪將繼續(xù)維持國(guó)內(nèi)三電技術(shù)領(lǐng)先的地位，并且在續(xù)航表現(xiàn)上與其他國(guó)內(nèi)車企拉開一大截。

5G基站方面，對(duì)碳化硅襯底也有較大需求。

根據(jù)Yole和CREE預(yù)測(cè)，受益5G的普及與5G基站的建設(shè)，碳化硅基氮化鎵外延功率器件市場(chǎng)規(guī)模將從2018年6.45億美金增長(zhǎng)到2024年的20億美金，年均復(fù)合增速達(dá)20.76%，2027年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到35億美金。

碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問(wèn)題

盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，但是碳化硅功率器件領(lǐng)域仍然存在一些諸多共性問(wèn)題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下、材料缺陷問(wèn)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(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)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(chǎng)擴(kuò)大的步伐。碳化硅單晶材料國(guó)際上碳化硅單晶材料領(lǐng)域存在的問(wèn)題主要有：大尺寸碳化硅單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。

目前國(guó)際上碳化硅芯片的制造已經(jīng)從4英寸換代到6英寸，并已經(jīng)開發(fā)出了8英寸碳化硅單晶樣品，與先進(jìn)的硅功率半導(dǎo)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(shù)。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(diǎn)，必須進(jìn)一步開發(fā)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(zhì)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(jìn)一步開發(fā)研磨、拋光工藝參數(shù)，降低晶圓表面粗糙度。P型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。

目前商業(yè)化的碳化硅產(chǎn)品是單極型器件。未來(lái)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(chǔ)科學(xué)問(wèn)題尚未得到突破，技術(shù)開發(fā)滯后。

近年來(lái)，我國(guó)碳化硅單晶材料領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問(wèn)題以外，我國(guó)碳化硅單晶材料領(lǐng)域在以下兩個(gè)方面存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)：是本土碳化硅單晶企業(yè)無(wú)法為國(guó)內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的6英寸芯片工藝線提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料。

碳化硅材料的檢測(cè)設(shè)備完全被國(guó)外公司所壟斷。碳化硅外延材料國(guó)際上碳化硅外延材料領(lǐng)域存在的問(wèn)題主要有：N型碳化硅外延生長(zhǎng)技術(shù)有待進(jìn)一步提高。目前外延材料生長(zhǎng)過(guò)程中氣流和溫度控制等技術(shù)仍不完美，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長(zhǎng)高均勻性的外延材料技術(shù)仍有一定挑戰(zhàn)，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(shù)仍不成熟。

高壓碳化硅功率器件是雙極型器件，對(duì)P型重?fù)诫s外延材料提出了要求，目前尚無(wú)滿足需求的低缺陷、重?fù)诫s的P型碳化硅外延材料。近年來(lái)我國(guó)碳化硅外延材料技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展，申請(qǐng)了一系列的專利，正在縮小與其它國(guó)家的差距，已經(jīng)開始批量采用本土4英寸單晶襯底材料，產(chǎn)品已經(jīng)打入國(guó)際市場(chǎng)。

但是，以下兩個(gè)方面存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)：目前國(guó)內(nèi)碳化硅外延材料產(chǎn)品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無(wú)法批量供貨6英寸產(chǎn)品。碳化硅外延材料加工設(shè)備全部進(jìn)口，將制約我國(guó)獨(dú)立自主產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。碳化硅功率器件雖然國(guó)際上碳化硅器件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平發(fā)展迅速，開始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場(chǎng)化進(jìn)程，但是碳化硅功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成，尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。

國(guó)際碳化硅器件領(lǐng)域存在的問(wèn)題主要有：碳化硅單晶及外延技術(shù)還不夠完美，高質(zhì)量的厚外延技術(shù)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(fā)展。碳化硅器件工藝技術(shù)水平還比較低，這是制約碳化硅功率器件發(fā)展和推廣實(shí)現(xiàn)的技術(shù)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(zhì)量氧化層生長(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)證方面，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法基本沿用硅器件，尚未有專門針對(duì)碳化硅功率器件特點(diǎn)的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致試驗(yàn)情況與實(shí)際使用的可靠性有差距。在碳化硅功率器件測(cè)試方面，碳化硅器件測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)基本沿用硅器件的測(cè)試方法，導(dǎo)致碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性、安全工作區(qū)等測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，缺乏統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

除了以上共性問(wèn)題外，我國(guó)碳化硅功率器件領(lǐng)域發(fā)展還存在研發(fā)時(shí)間短，技術(shù)儲(chǔ)備不足，進(jìn)行碳化硅功率器件研發(fā)的科研單位較少，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)水平跟國(guó)外還有一定的差距等問(wèn)題，特別是在以下三個(gè)方面差距巨大：在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨(dú)立的研發(fā)能力，存在一定程度上依賴國(guó)際代工企業(yè)來(lái)制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂(lè)觀。碳化硅芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國(guó)外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長(zhǎng)設(shè)備等，國(guó)內(nèi)大規(guī)模建立碳化硅工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。

碳化硅器件高端檢測(cè)設(shè)備被國(guó)外所壟斷。碳化硅功率模塊當(dāng)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(fā)揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優(yōu)勢(shì)，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(wěn)定運(yùn)行能力。

目前碳化硅功率模塊存在的主要問(wèn)題有：采用多芯片并聯(lián)的碳化硅功率模塊，由于結(jié)電容小、開關(guān)速度高，因此在開關(guān)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無(wú)法發(fā)揮碳化硅器件的優(yōu)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(shù)，在焊接、引線、基板、散熱等方面的創(chuàng)新不足，功率模塊雜散參數(shù)較大，可靠性不高。碳化硅功率高溫封裝技術(shù)發(fā)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(fā)揮碳化硅功率器件的高溫優(yōu)勢(shì)，必須進(jìn)一步研發(fā)先進(jìn)燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠封裝材料及互連技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)整體突破。碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問(wèn)題盡管碳化硅功率器件應(yīng)用前景廣闊，但是目前受限于價(jià)格過(guò)高等因素，迄今為止，市場(chǎng)規(guī)模并不大，應(yīng)用范圍并不廣，主要集中于光伏、電源等領(lǐng)域。

目前碳化硅器件應(yīng)用存在的主要問(wèn)題有：碳化硅功率器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅(qū)動(dòng)芯片具有工作溫度高、驅(qū)動(dòng)電流大和可靠性高的特點(diǎn)。目前驅(qū)動(dòng)芯片沿用硅器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尚不能滿足要求。碳化硅功率器件的保護(hù)技術(shù)尚不完善。

碳化硅功率器件具有開關(guān)頻率快、短路時(shí)間短等特點(diǎn)，目前器件保護(hù)技術(shù)尚不能滿足需求。碳化硅器件的電路應(yīng)用開關(guān)模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關(guān)特性，尚不能對(duì)碳化硅器件的電路拓?fù)?a target="_blank">仿真設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。碳化硅功率器件應(yīng)用中的電磁兼容問(wèn)題尚未完全解決。碳化硅功率器件應(yīng)用的電路拓?fù)渖胁粔騼?yōu)化。

目前碳化硅功率器件的應(yīng)用電路拓?fù)浠旧涎赜霉杵骷碾娐吠負(fù)洌瑳]有開發(fā)出完全發(fā)揮碳化硅功率器件優(yōu)勢(shì)的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整體而言，第三代半導(dǎo)體技術(shù)尚處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，還有許多不足之處。以當(dāng)前運(yùn)用程度最高的碳化硅為例，其技術(shù)上尚有幾個(gè)缺陷：材料成本過(guò)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(jīng)發(fā)展到12寸。具體而言，相同規(guī)格的產(chǎn)品，碳化硅器件的整體價(jià)格達(dá)到硅器件的5-6倍。高溫?fù)p耗過(guò)大。碳化硅器件雖然能在高溫下運(yùn)行，但其在高溫條件下產(chǎn)生的高功率損耗很大程度上限制了其應(yīng)用，這是與器件開發(fā)之初的目的相違背的。

封裝技術(shù)滯后。目前碳化硅模塊所使用的封狀技術(shù)還是沿用硅模塊的設(shè)計(jì)，其可靠性和壽命均無(wú)法滿足其工作溫度的要求。技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)行業(yè)正在破除高成本、低技術(shù)成熟度兩大發(fā)展屏障如上所述，碳化硅器件性能優(yōu)勢(shì)突出、應(yīng)用場(chǎng)景明確、又有產(chǎn)業(yè)鏈上下游龍頭企業(yè)積極投入，可目前市場(chǎng)滲透率仍低。究其原因，即為受制于高制造成本、低技術(shù)成熟度兩大屏障。破此二障，是技術(shù)發(fā)展方向的核心。

碳化硅器件制造的四個(gè)環(huán)節(jié)（襯底制作，外延制作、芯片制程、封裝測(cè)試）各有發(fā)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(chǎn)品的2-3倍、5-10倍，而下游客戶認(rèn)為大規(guī)模應(yīng)用碳化硅器件的普遍價(jià)格區(qū)間應(yīng)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(jià)格高，尤其是占標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備下進(jìn)行生產(chǎn)，而硅晶只需1500度；生產(chǎn)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(yè)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(chǎn)芯片數(shù)量較少、碳化硅芯片制造成本較高。技術(shù)演進(jìn)方向：襯底方面，國(guó)外龍頭企業(yè)預(yù)計(jì)將在2022年左右開始批量生產(chǎn)8寸晶片；外延及器件方面，將繼續(xù)提高產(chǎn)能及制造良品率。

2）碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，有待更多應(yīng)用驗(yàn)證。碳化硅不像硅產(chǎn)業(yè)，已在幾十年的研究中積累了一套很完整的數(shù)據(jù)。碳化硅的很多性能結(jié)論都是由硅的性質(zhì)推導(dǎo)而來(lái)，不少特性數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步實(shí)證。此外，碳化硅功率器件的產(chǎn)品組合尚未完善。從整個(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)來(lái)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(lǐng)域。但是目前，碳化硅器件市場(chǎng)還以二極管為主，MOSFET尚未大規(guī)模推廣，IGBT仍在研發(fā)。碳化硅二極管主要用于替代硅二極管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低，現(xiàn)已大規(guī)模商用化，2019年碳化硅二極管的碳化硅器件市場(chǎng)占比達(dá)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(guī)模應(yīng)用仍受限于產(chǎn)品性能穩(wěn)定性及器件成熟性。碳化硅IGBT尚在研發(fā)，預(yù)計(jì)將在5-10年后才能看到相關(guān)器件原型。 ? ?

技術(shù)演進(jìn)方向：器件方面，正在發(fā)展3.3kv以上的高耐壓器件、并引入溝槽式設(shè)計(jì)以提高器件性能和可靠性；封裝方面，將優(yōu)化封裝工藝以發(fā)揮碳化硅耐高溫優(yōu)勢(shì)。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，主逆變器功率器件由IGBT替換成碳化硅之后，采購(gòu)成本確實(shí)上升了將近1500元，但是卻帶來(lái)了整車效率的提升，導(dǎo)致電池裝機(jī)量的下降，從電池端把成本又省回來(lái)了。例如，80度電的中高端純電車型，按照5%的效率提升，可節(jié)省約4度電池裝機(jī)量。按照目前三元鋰電的成本，電池端就可以節(jié)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(guī)模效應(yīng)，價(jià)格自然也會(huì)降下來(lái)，甚至降到與目前主流IGBT同樣的水平。

碳化硅SiC-MOSFET

器件結(jié)構(gòu)和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)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(guò)電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以MOSFET實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗。

而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時(shí)，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)，從而也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件的小型化。

與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于芯片面積?。蓪?shí)現(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。

主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻

SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)高耐壓。

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

例如900V時(shí)，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(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。

不僅能夠以小封裝實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產(chǎn)品，但是SiC卻能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn)1700V以上的耐壓。

因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢），就可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?/p>

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(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時(shí)導(dǎo)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(shè)計(jì)，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

※該數(shù)據(jù)是ROHM在相同條件下測(cè)試的結(jié)果，僅供參考。此處表示的特性本公司不做任何保證。

驅(qū)動(dòng)門極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)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(dǎo)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(qū)動(dòng)電壓VGS=10~15V不能發(fā)揮出SiC本來(lái)的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用VGS=18V左右進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

全球產(chǎn)能競(jìng)爭(zhēng)格局

中國(guó)是碳化硅最大的原料生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。在產(chǎn)業(yè)鏈條上，下游生產(chǎn)商往往因?yàn)榭拷蛻?，而掌握了更多的話語(yǔ)權(quán)。

科銳一直是碳化硅材料（非原料）的最大生產(chǎn)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(duì)統(tǒng)治力消失了。

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

從2012年到2019年，昭和電工6次擴(kuò)張?zhí)蓟杈a(chǎn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)商英飛凌簽署供貨合約。而美國(guó)GTadvanced、德國(guó)Sicrystal等企業(yè)也都拿到了英飛凌、意法半導(dǎo)體等大廠的供貨合約，進(jìn)一步分割碳化硅市場(chǎng)的份額。

2021年，美國(guó)II-VI一度充當(dāng)臺(tái)積電在上一代半導(dǎo)體的角色，在福州投資碳化硅襯底加工線。未來(lái)5年，II-VI福州產(chǎn)能將在中國(guó)扮演重要角色。

中國(guó)企業(yè)市占率在去年提升了360%，將半絕緣襯底考慮進(jìn)去的話，市占率達(dá)到10%，比上一代半導(dǎo)體局面（5.9%）好得多。

整個(gè)碳化硅鏈條上，中企掌握原料（50%全球市場(chǎng)份額），美國(guó)控制材料，歐洲大廠（英飛凌、羅姆、意法半導(dǎo)體）控制晶片和芯片制造，中國(guó)則占據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)的至少半壁江山。

審核編輯：黃飛

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