中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2020年5月，總書記在考察調(diào)研山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)時(shí)，在中國(guó)電科（山西）碳化硅材料產(chǎn)業(yè)基地展臺(tái)前，曾接過(guò)一片SiC（碳化硅）單晶片仔細(xì)觀看，并高興地說(shuō)這解決了卡脖子問(wèn)題。

如今近4年時(shí)間過(guò)去了，當(dāng)初領(lǐng)導(dǎo)人關(guān)切的這個(gè)單晶片發(fā)展的如何了？

碳化硅，中國(guó)半導(dǎo)體換道超車的機(jī)會(huì)

人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)碳化硅是在1891年，美國(guó)人艾奇遜在電熔金剛石的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一種碳的化合物。幾乎同一年代，法國(guó)化學(xué)家亨利·莫瓦桑在火山噴發(fā)的隕石中發(fā)現(xiàn)了一種非常罕見(jiàn)的碳化硅晶體，后來(lái)人們將其命名為莫桑石，這就是碳化硅最早的合成和發(fā)現(xiàn)。

在之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，碳化硅材料在作為耐火材料、陶瓷材料在鋼鐵、機(jī)械等傳統(tǒng)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。而作為一種晶體雖沒(méi)有引起過(guò)多的關(guān)注但也在不斷發(fā)展，如1959年，荷蘭Lely發(fā)明一種采用升華法生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶體的新方法；1978年，俄羅斯科學(xué)家Tairov和Tsvetkov發(fā)明了改良的Lely法；1979年，SiC藍(lán)色發(fā)光二極管問(wèn)世。直到2010年8月30日，美國(guó)Wolfspeed展示了高品質(zhì)的150mm碳化硅單晶片，這一突破性進(jìn)展立即掀起了SiC晶體及相關(guān)技術(shù)研究的熱潮。

而SiC在應(yīng)用端引起轟動(dòng)的則來(lái)自于特斯拉，2019年，特斯拉作為第一個(gè)“吃螃蟹”的車企，大膽的將SiC用到Model 3上，隨后其他車廠紛紛效仿，自此，SiC迎來(lái)大規(guī)模上車的階段。

一直以來(lái)，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。究其原因，是硅的儲(chǔ)備量大，成本比較低，并且制備比較簡(jiǎn)單、成熟。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用并不出彩，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景。這些限制讓硅基功率器件已經(jīng)漸漸難以滿足新能源車及高鐵等新興應(yīng)用對(duì)器件高功率及高頻性能的需求。

SiC、GaN相比Si的優(yōu)越特性

相比之下，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，例如它擁有寬禁帶，使得單個(gè)器件可以承載上萬(wàn)伏電壓；熱導(dǎo)率高，工作可靠性強(qiáng)；載流子遷移率高、工作頻率大，省電節(jié)能。這些優(yōu)勢(shì)讓SiC半導(dǎo)體材料成為衛(wèi)星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動(dòng)汽車、通信基站等重要領(lǐng)域的核心材料。

目前我國(guó)在5G通信、電動(dòng)汽車等新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模等方面都處于國(guó)際優(yōu)勢(shì)地位，將促進(jìn)我國(guó)上游半導(dǎo)體行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)的影響力，尤其對(duì)碳化硅器件將產(chǎn)生巨大的需求。

最為關(guān)鍵的是，在第一、二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展上，我國(guó)起步時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于其他國(guó)家，導(dǎo)致處處受制于人，但在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商起步與國(guó)外廠商相差不多，有很大的希望實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的追趕，完成“換道超車”。

單晶襯底是關(guān)鍵

從產(chǎn)業(yè)鏈層面初步劃分，整個(gè)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為單晶片（襯底）制備、外延生長(zhǎng)、器件制造三大環(huán)節(jié)。從工藝流程上看，SiC一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片；外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈

三大環(huán)節(jié)中，襯底和外延成本占比分別達(dá)47%和23%，尤其是單晶襯底，占據(jù)價(jià)值鏈主導(dǎo)地位。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，SiC單晶襯底生長(zhǎng)條件十分嚴(yán)苛，不僅需要經(jīng)歷高溫還需要壓力精確控制的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)這些晶體的生長(zhǎng)速度很緩慢，生長(zhǎng)質(zhì)量也不易控制。在生長(zhǎng)的過(guò)程中即便只出現(xiàn)一絲肉眼無(wú)法察覺(jué)的管洞，也可能影響晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量。SiC晶體的生長(zhǎng)過(guò)程就如同“蒙眼繡花”一樣，因?yàn)闇囟忍�高，難以進(jìn)行人工干預(yù)，所以晶體的生長(zhǎng)過(guò)程十分容易遭到擾動(dòng)。要想生產(chǎn)出高質(zhì)量的SiC晶片，就必須攻克這些技術(shù)難關(guān)。

此外，該領(lǐng)域?qū)υ�材料、設(shè)備的高要求也極為苛刻，這就造成了SiC單晶襯底的制備成為了全球性難題。

我國(guó)碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的SiC晶體研究從20世紀(jì)90年代末才起步，并在發(fā)展初期受到技術(shù)瓶頸和產(chǎn)能規(guī)模限制而未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在一定的差距。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持和引導(dǎo)下，我國(guó)SiC晶片產(chǎn)業(yè)發(fā)展大幅提速。

目前，以天岳先進(jìn)、天科合達(dá)為代表的國(guó)內(nèi)SiC晶片制造企業(yè)的部分產(chǎn)品在核心參數(shù)上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，晶片產(chǎn)品對(duì)外銷往北美、歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，與美國(guó)Wolfspeed公司、美國(guó)Coherent公司等國(guó)際企業(yè)進(jìn)行直接競(jìng)爭(zhēng)。

國(guó)內(nèi)碳化硅襯底供應(yīng)商分布圖

在過(guò)去的2023年里，國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)或許是發(fā)展速度最快的一年。首先是SiC襯底取得突破，8英寸產(chǎn)品的推進(jìn)加速，同時(shí)三安和天岳先進(jìn)、天科合達(dá)等獲得海外芯片巨頭的認(rèn)可，簽下碳化硅襯底長(zhǎng)期供貨協(xié)議。ST還與三安合資建設(shè)碳化硅器件工廠，并由三安配套供應(yīng)碳化硅襯底。

國(guó)內(nèi)主要廠商碳化硅襯底產(chǎn)能情況

另一方面產(chǎn)能擴(kuò)張速度也較快，2023年國(guó)內(nèi)SiC襯底產(chǎn)能逐步落地，多家廠商的擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目都在2023年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)或是在產(chǎn)能爬坡過(guò)程中。

另外，在市場(chǎng)和政策的雙輪驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)SiC產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)正如雨后春筍般迅速涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出遍地開花的局面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至到目前，至少在17個(gè)城市中都布局了SiC相關(guān)的建設(shè)項(xiàng)目。其中江蘇、上海、山東、浙江、廣東、湖南、福建等地已成為SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要聚集地。

整體來(lái)說(shuō)，目前中國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)無(wú)論在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化還是市場(chǎng)發(fā)展都較為迅速，“換道超車”的態(tài)勢(shì)已經(jīng)全面拉開，并逐漸拉小與Wolfspeed等全球龍頭企業(yè)的距離，“超車”指日可待。

參考來(lái)源：

[1]碳化硅，第三代半導(dǎo)體時(shí)代的中國(guó)機(jī)會(huì).科技日?qǐng)?bào)

[2]碳化硅技術(shù)：開創(chuàng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的新紀(jì)元.半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備

[3]梁浩斌.2023年國(guó)內(nèi)主要碳化硅襯底供應(yīng)商產(chǎn)能現(xiàn)狀.電子發(fā)燒友網(wǎng)

[4]國(guó)產(chǎn)SiC襯底的突圍之戰(zhàn).半導(dǎo)體行業(yè)觀察

[5]粉體大數(shù)據(jù)研究

[6]中國(guó)粉體網(wǎng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除