華為4月成立的哈勃科技投資有限公司，近日投資了山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司，持股10%。山東天岳是我國第三代半導(dǎo)體材料碳化硅龍頭企業(yè)。“得碳化硅者得天下”！有業(yè)內(nèi)人士稱。
此前，不少國際公司都在碳化硅領(lǐng)域進(jìn)行投資。例如，英飛凌1.39億美元收購了初創(chuàng)企業(yè)Siltectra，進(jìn)一步進(jìn)軍碳化硅市場，另外，X-Fab、三菱、意法半導(dǎo)體等企業(yè)也宣布將開發(fā)更多的碳化硅功率器件。
有數(shù)據(jù)顯示，2017年，中國GaN和SiC器件市場規(guī)模已達(dá)30.8億元。作為第三代半導(dǎo)體材料中的代表，近年來GaN和SiC在5G通信技術(shù)、新能源汽車以及光電應(yīng)用等推動之下，始終保持著市場的快速增長。
其中，碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物，目前已發(fā)現(xiàn)的碳化硅同質(zhì)異型晶體結(jié)構(gòu)有200多種，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優(yōu)勢，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，與硅材料的物理性能對比，主要特性包括：（1）臨界擊穿電場強(qiáng)度是硅材料近10倍；（2）熱導(dǎo)率高，超過硅材料的3倍；（3）飽和電子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗輻照和化學(xué)穩(wěn)定性好；（5）與硅材料一樣，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層。
碳化硅功率半導(dǎo)體器件為更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的下一代電力電子技術(shù)的進(jìn)步提供了機(jī)遇，在智能電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車、新能源并網(wǎng)、開關(guān)電源、工業(yè)電機(jī)以及家用電器等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)價值。
碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應(yīng)用這幾個環(huán)節(jié)。其中，單晶材料是碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，主要技術(shù)指標(biāo)有單晶直徑、微管密度、單晶電阻率、表面粗糙度、翹曲度等；外延材料是實現(xiàn)器件制造的關(guān)鍵，主要技術(shù)指標(biāo)有外延片直徑、外延層厚度、外延層摻雜濃度和表面缺陷密度等；器件是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心，主要技術(shù)指標(biāo)有阻斷電壓、單芯片導(dǎo)通電流/電阻、阻斷狀態(tài)的漏電流、工作溫度等；模塊是實現(xiàn)器件應(yīng)用的橋梁，主要技術(shù)指標(biāo)有模塊容量、熱阻、寄生參數(shù)和驅(qū)動保護(hù)等；應(yīng)用是碳化硅功率半導(dǎo)體器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動力，主要技術(shù)指標(biāo)是開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率和功率密度等。
來源：材料深一度
碳化硅單晶材料
碳化硅單晶材料主要有導(dǎo)通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展首要解決的問題，持續(xù)增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點(diǎn)發(fā)展方向。2010年，美國Cree公司發(fā)布6英寸碳化硅單晶襯底樣品，并于2015年開始批量供貨；2015年，美國Cree、II-Ⅵ公司推出了8英寸碳化硅單晶襯底材料樣品。
導(dǎo)通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的基材。根據(jù)Yolo公司統(tǒng)計，2017年4英寸碳化硅晶圓市場接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預(yù)計到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25 %；6英寸碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。預(yù)計2020~2025年，4英寸碳化硅晶圓的單價每年下降10 %左右，市場規(guī)模逐步從10萬片市場減少到8萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長到20萬片；2025~2030年，4英寸晶圓逐漸退出市場，6英寸晶圓將增長至40萬片。
半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯(lián)，傳感感應(yīng)器件上具備廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前主流半絕緣襯底的產(chǎn)品以4英寸為主。2017年，全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預(yù)計到2020年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片，而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升至4~5萬片；2025~2030年，4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而6英寸晶圓將增長至20萬片。
國際上碳化硅單晶襯底材料的產(chǎn)業(yè)化公司主要有美國科銳（Cree）、II-VI、道康寧（Dow Corning），德國SiCrystal（被日本羅姆Rohm收購）等公司，其碳化硅單晶產(chǎn)品覆蓋4英寸和6英寸。
國內(nèi)主要碳化硅單晶襯底材料企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產(chǎn)品，并已經(jīng)研發(fā)出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化能力方面距離國際先進(jìn)水平存在一定差距。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，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。
碳化硅外延材料
與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。近年來，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質(zhì)量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經(jīng)消除，掉落物、三角形、胡蘿卜、螺位錯、基平面位錯、深能級缺陷等成為影響器件性能的主要因素。隨著外延生長技術(shù)的進(jìn)步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發(fā)展到目前的幾十μm、上百μm。
由于碳化硅器件必須制作在外延材料上，所以基本上所有碳化硅單晶材料都將作為襯底材料用來生長外延材料。國際上碳化硅外延材料技術(shù)發(fā)展迅速，最高外延厚度達(dá)到250μm以上。其中，20μm及以下的外延技術(shù)成熟度較高，表面缺陷密度已經(jīng)降低到1個/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉(zhuǎn)化率接近100 %，已經(jīng)基本達(dá)到碳化硅器件規(guī)模化生產(chǎn)對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術(shù)也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度緩慢。
目前批量碳化硅外延材料的產(chǎn)業(yè)化公司有美國的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。我國碳化硅外延材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平緊緊跟隨國際水平，產(chǎn)品已打入國際市場。
外延片方面，國內(nèi)瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體、國民技術(shù)子公司國民天成均可供應(yīng)4-6英寸外延片，中電科13所、55所亦均有內(nèi)部供應(yīng)的外延片生產(chǎn)部門。
在產(chǎn)業(yè)化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產(chǎn)品水平接近國際先進(jìn)水平；在研發(fā)方面，我國開發(fā)了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進(jìn)水平有一定的差距。同時，由于國內(nèi)碳化硅芯片制造能力薄弱，對碳化硅單晶和材料的需求較低，尚不足以完全支撐和拉動我國碳化硅單晶襯底和外延材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
碳化硅功率器件
碳化硅功率半導(dǎo)體器件包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結(jié)勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。
2001年，德國英飛凌（Infineon）公司最先發(fā)布碳化硅肖特基功率二極管產(chǎn)品，同年美國Cree公司也實現(xiàn)了碳化硅肖特基功率二極管的產(chǎn)業(yè)化。由于碳化硅晶體管的技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度落后于二極管。2010年，日本Rohm公司首先量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產(chǎn)品。SiC IGBT和GTO等器件由于技術(shù)難度更大，仍處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優(yōu)越，成為目前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化成熟度最高的碳化硅功率器件。
隨著國際上碳化硅功率器件技術(shù)的進(jìn)步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市場的發(fā)展趨勢。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。Yole公司預(yù)測，2017~2020年，碳化硅器件的復(fù)合年均增長率超過28 %，到2020年市場規(guī)模達(dá)到35億元人民幣，并以超過40 %的復(fù)合年均增長率繼續(xù)快速增長。預(yù)計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過150億元人民幣，到2030年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過500億元人民幣。國內(nèi)碳化硅器件的市場約占國際市場的40 %~50 %。
目前，國際上主要的碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %，另外，美國通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發(fā)了碳化硅功率器件產(chǎn)品。在SiC二極管產(chǎn)品方面，美國Wolfspeed（包括Cree）、德國Infineon公司已經(jīng)推出了五代 SiC JBS產(chǎn)品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產(chǎn)品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370 μm減薄至180 μm，進(jìn)一步提高了器件的性能。Rohm公司開發(fā)了三代SiC二極管，最新產(chǎn)品也采用了溝槽型結(jié)構(gòu)。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產(chǎn)品為主，從第五代開始推出1200 V產(chǎn)品，即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產(chǎn)品。在MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產(chǎn)品，電流從1 A～50 A不等；2017年3月，美國Wolfspeed公司發(fā)布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片，是目前單芯片電流容量最大的SiC MOSFET產(chǎn)品；Rohm公司的SiC MOSFET產(chǎn)品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級有650 V和1200 V；意法半導(dǎo)體開發(fā)了650 V和1200 V兩個電壓等級的SiC MOSFET產(chǎn)品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品。另外，GeneSiC公司開發(fā)了1200 V和1700 V的 SiC BJT產(chǎn)品，Infineon和USCi公司開發(fā)了1200 V的SiC JFET產(chǎn)品。在研發(fā)領(lǐng)域，國際上已經(jīng)開發(fā)了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品，以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設(shè)計技術(shù)、芯片制造工藝、器件封裝驅(qū)動技術(shù)以及市場需求的制約，以上高壓器件短期內(nèi)無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
“十三五”期間，我國掀起了第三代功率半導(dǎo)體材料和器件產(chǎn)業(yè)化的浪潮。當(dāng)前，我國的碳化硅功率器件產(chǎn)品以二極管產(chǎn)品為主，若干單位具備開發(fā)晶體管產(chǎn)品的能力，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內(nèi)有多家企業(yè)建成或正在建設(shè)多條碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產(chǎn)，將會大大提升國內(nèi)碳化硅功率器件的產(chǎn)業(yè)化水平。
碳化硅功率模塊
為了進(jìn)一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進(jìn)行并聯(lián)集成封裝。
碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產(chǎn)品發(fā)展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發(fā)了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產(chǎn)品最高電壓等級3300 V，最大電流700 A，最高工作溫度175 ℃。在研發(fā)領(lǐng)域，全碳化硅功率模塊最大電流容量達(dá)到1200 A，最高工作溫度達(dá)到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯(lián)和緊湊型封裝等技術(shù)來提高模塊性能。
基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化水平緊跟國際先進(jìn)水平。
在器件/模塊/IDM方面，我國在碳化硅器件設(shè)計方面還有所欠缺。但近日，派恩杰半導(dǎo)體公司發(fā)布國內(nèi)第一款第三代碳化硅MOSFET，成為國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計碳化硅先鋒團(tuán)隊。
派恩杰團(tuán)隊經(jīng)過4個月緊張的設(shè)計研發(fā)，在8月底正式發(fā)布國內(nèi)首款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級6寸1200V 80mΩ 第三代碳化硅MOSFET。該產(chǎn)品各項性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平，自主研發(fā)的碳化硅功率器件繼續(xù)領(lǐng)跑全國。
在模塊、器件制造環(huán)節(jié)我國已出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的企業(yè)，包括三安集成、海威華芯、泰科天潤、中車時代、世紀(jì)金光、芯光潤澤、深圳基本、國揚(yáng)電子、士蘭微、揚(yáng)杰科技、瞻芯電子、天津中環(huán)、江蘇華功、大連芯冠、聚力成半導(dǎo)體等。同時，比亞迪也宣布已投入巨資布局半導(dǎo)體材料SiC（碳化硅）。
小結(jié)
目前，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美、歐、日三足鼎立格局，其中美國一家獨(dú)大(全球70-80%的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)量來自美國公司)；歐洲在碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用方面擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。
近兩年隨著國家對第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視，以及在新能源汽車、AI、IoT和5G等新興產(chǎn)業(yè)的推動下，國內(nèi)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正迎來飛速發(fā)展，正在努力趕超外國碳化硅產(chǎn)業(yè)。阻礙國內(nèi)第三代半導(dǎo)體研究進(jìn)展的主要問題有：1.原材料瓶頸：制備SiC晶圓的設(shè)備較為空缺，大多需要進(jìn)口；2.原始創(chuàng)新問題：相關(guān)科研院所和生產(chǎn)企業(yè)大都難以忍受長期“只投入、不產(chǎn)出”的現(xiàn)狀；3.人才隊伍建設(shè)問題。
但是，與在第一代、第二代半導(dǎo)體材料及集成電路產(chǎn)業(yè)上的多年落后、很難追趕國際先進(jìn)水平的形勢不同，我國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究工作和世界前沿的差距相對較小，也積累了一定的基礎(chǔ)，涌現(xiàn)了一批例如天科合達(dá)、山東天岳、泰科天潤等在內(nèi)的優(yōu)秀企業(yè)。
此前有業(yè)內(nèi)人士表示，未來五年，全球碳化硅功率器件的產(chǎn)值將會由2018年的40億元向100億元突破，屆時中國如果還沒有一家企業(yè)擁有5億元市場的銷售業(yè)績（約5%的市場占有率），那么意味著中國企業(yè)將再次在功率器件產(chǎn)業(yè)上落伍，至少要再次承受15年、一整代人的落后。
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