在功率半導(dǎo)體的發(fā)展史上，功率半導(dǎo)體可分為三代:

第一代半導(dǎo)體材料:鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料。硅的帶隙為1.1eV，氧化后非常穩(wěn)定。

第二代半導(dǎo)體材料:砷化鎵、銻化銦等化合物半導(dǎo)體材料，砷化鎵的帶隙為1.4電子伏，電子遷移率比硅高5倍。

第三代半導(dǎo)體材料:以碳化硅和氮化鎵為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有更高的飽和漂移速度和更高的臨界擊穿電壓等突出優(yōu)點，適合大功率、高溫、高頻和抗輻射應(yīng)用。

第三代半導(dǎo)體材料能夠滿足現(xiàn)代社會對高溫、大功率、高壓、高頻和抗輻射的新要求，并具有體積小、污染少、運行損耗低等經(jīng)濟和環(huán)境效益，因此第三代半導(dǎo)體材料逐漸成為發(fā)展的焦點。目前主流的第三代半導(dǎo)體材料是碳化硅和氮化硅。前者多用于智能電網(wǎng)、軌道交通等高壓場合；后者在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用更大(5G等。).

碳化硅產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)的新戰(zhàn)場。

以下是國內(nèi)碳化硅行業(yè)的主要公司:

山東田玉娥:單晶襯底，批量生產(chǎn)4英寸單晶襯底，自主開發(fā)6英寸襯底技術(shù)。

田可何達:單晶襯底，國內(nèi)首家建立并完成碳化硅生產(chǎn)線，實現(xiàn)碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化的公司，批量生產(chǎn)2-4英寸晶圓。

河北同光:單晶襯底，4寸、6寸導(dǎo)電半絕緣碳化硅襯底；4英寸基板已達到世界先進水平。

田漢天成:外延片，形成3英寸、4英寸、6英寸的完整碳化硅半導(dǎo)體外延片生產(chǎn)線。

天宇半導(dǎo)體:外延片3寸、4寸、6寸碳化硅外延片。

2/13/55中電研究院:器件/模塊/IDM，大批量生產(chǎn)高純碳化硅材料和高純半絕緣晶圓；實現(xiàn)4-6英寸碳化硅外延片、芯片設(shè)計制造、模塊封裝的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

CRRC時代:器件/模塊/IDM，中國第一條6英寸碳化硅生產(chǎn)線；實現(xiàn)碳化硅二極管和MOSFET工藝。

世紀金光:器件/模塊/IDM，集半導(dǎo)體單晶材料、外延、器件、模塊的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售于一體，貫穿第三代半導(dǎo)體整個產(chǎn)業(yè)鏈。

泰科天潤:器件/模塊/IDM，國內(nèi)第一條完整的4-6英寸碳化硅器件批量生產(chǎn)線，可實現(xiàn)碳化硅外延上半導(dǎo)體功率器件的制造工藝。

碳化硅功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)點

第三代半導(dǎo)體又稱寬帶隙半導(dǎo)體，主要以氮化鎵和碳化硅為代表。它不同于第一代硅和第二代砷化鎵的半導(dǎo)體性能特點，使其具有高帶隙、高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高電子飽和漂移率等優(yōu)點。從而可以開發(fā)更適合于高溫、大功率、高壓、高頻和抗輻射等惡劣條件的小型化電源。

資料來源:半導(dǎo)體應(yīng)用手冊。國源證券研究中心

總的來說，碳化硅的耐高壓、耐高溫和高頻能力分別是硅的10倍、2倍和2倍。與硅基模塊相比，由碳化硅二極管和開關(guān)管組成的模塊(全碳模塊)不僅具有碳化硅材料的固有特性優(yōu)勢，而且可以減少模塊體積50%以上，減少電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

資料來源：Rohm，國元證券研究中心資料來源:羅門，國源證券研究中心

碳化硅功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)始于20世紀70年代。經(jīng)過30年的積累，碳化硅SBD器件于2001年商業(yè)化，然后碳化硅MOSFET器件于2010年商業(yè)化。目前，碳化硅IGBT器件仍在研發(fā)中。

碳化硅功率器件發(fā)展歷程。資料來源：太平洋證券碳化硅功率器件的發(fā)展歷史。來源:太平洋證券

碳化硅功率器件的制造工藝

碳化硅功率器件的整個生產(chǎn)過程大致如下圖所示，主要分為碳化硅單晶生產(chǎn)、外延層生產(chǎn)和器件制造三個步驟，對應(yīng)于產(chǎn)業(yè)鏈中襯底、外延、器件和模塊三個環(huán)節(jié)。

碳化硅功率器件的生產(chǎn)工藝

基材:一般采用Lely法制造。國際主流產(chǎn)品正在從4英寸向6英寸過渡，已經(jīng)開發(fā)出8英寸導(dǎo)電基板產(chǎn)品。國產(chǎn)基材以4寸為主，質(zhì)量相對較弱，主要用于生產(chǎn)10年以下的小電流產(chǎn)品。目前，單晶生長緩慢、質(zhì)量不穩(wěn)定是碳化硅價格高、市場推廣緩慢的重要原因。

外延:一般用PECVD制作。目前，一些國內(nèi)公司已經(jīng)能夠提供質(zhì)量可接受的4英寸和6英寸碳化硅外延晶片。1700伏以下器件的外延片比較成熟，但高質(zhì)量、厚外延的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)主要為Cree、Showa等少數(shù)國外企業(yè)所擁有。

在器件方面:600-1700伏的碳化硅SBD和MOSFET已經(jīng)在世界范圍內(nèi)量產(chǎn)，而國內(nèi)的MOSFET量產(chǎn)還有待突破。生產(chǎn)線都在向6英寸生產(chǎn)線過渡，克里已經(jīng)開始鋪設(shè)8英寸生產(chǎn)線。從器件價格走勢來看，目前的價格是硅器件的5-6倍，并且以每年10%的速度下降。隨著上游生產(chǎn)擴張的加劇和應(yīng)用的不斷擴大，預(yù)計在2-3年內(nèi)將降至硅器件的2-3倍，從而推動系統(tǒng)層面的價格等于或低于傳統(tǒng)方案。在制造工藝方面，大部分設(shè)備與傳統(tǒng)硅生產(chǎn)線相同。然而，由于碳化硅的高硬度，需要一些特殊的生產(chǎn)設(shè)備，如高溫離子注入機、碳膜濺射儀、大批量生產(chǎn)的高溫退火爐等。其中，是否有高溫離子注入機是衡量碳化硅生產(chǎn)線的重要標準。

由于碳化硅分立功率器件的性能與材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝之間的強相關(guān)性，以及為了加強成本控制和改善工藝控制，許多企業(yè)仍然選擇IDM模式。比如Cree和Rohm甚至覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件設(shè)計和制造的整個產(chǎn)業(yè)鏈，其中Cree約占襯底市場的40%左右，器件市場的25%左右，英飛凌、Cree、Rohm、St。

碳化硅功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用和規(guī)模

目前，碳化硅功率器件主要位于1kw至500kw之間，工作頻率在10KHz至100MHz之間的場景，特別是在一些對能效和空要求較高的應(yīng)用中，如電動車車載充電器和電驅(qū)動系統(tǒng)、充電樁、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)電源等領(lǐng)域，可以替代部分硅基MOSFET和IGBT。

目前電動汽車車載充電器市場已逐步采用碳化硅SDB，產(chǎn)品集中在1200V/10A和20A。每個車載充電器需要4-8個碳化硅SBD，已被全球20多家汽車制造商采用。

電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)主要是指功率控制單元PCU，它管理電池中的電能與電機之間的流向和傳輸速度。傳統(tǒng)的PCU是由硅基半導(dǎo)體制成的，大電流、高電壓通過硅基功率器件時的功率損耗是電動汽車的主要功率損耗源。碳化硅SBD和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的使用可以減少10%的總能量損失，同時減少80%的PCU體積，使車輛更緊湊和更輕。

因此，用碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管代替硅基IGBT是電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。預(yù)計該市場將在明年碳化硅MOSFET成熟可靠時全面推出。目前特斯拉Model 3的電驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)采用了ST提供的碳化硅器件，豐田將于2020年正式推出搭載碳化硅器件的電動汽車。

據(jù)國際監(jiān)測系統(tǒng)研究報告顯示，2017年碳化硅功率器件的市場份額約為3億美元，主要集中在光伏逆變器和電源領(lǐng)域。雖然僅占電力設(shè)備市場的1.5%，但近年來的復(fù)合年增長率一直保持在30%以上。

同時產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以二極管為主，占80%以上。未來以電動汽車為主要驅(qū)動力，加上MOSFET器件，預(yù)計未來8年將超過20億美元。

在市場結(jié)構(gòu)上，英飛凌目前是SiC器件領(lǐng)域全球最大的企業(yè)，市場份額接近40%。Cree、Rohm、ST分別排名第二、第三、第四，市場份額分別為23%、16%、10%，國內(nèi)替代量較大空。

碳化硅功率半導(dǎo)體的問題

雖然全球碳化硅器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，但碳化硅功率器件領(lǐng)域仍存在許多亟待解決的共性問題，如碳化硅單晶和外延材料價格高、材料缺陷未解決、碳化硅器件制造工藝困難、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝無法滿足高頻高溫應(yīng)用的要求等。

1碳化硅單晶材料

碳化硅單晶材料領(lǐng)域的國際問題主要包括:

大尺寸碳化硅單晶襯底的制備技術(shù)還不成熟。目前，世界上碳化硅芯片的制造已經(jīng)從4英寸變?yōu)?英寸，開發(fā)了8英寸碳化硅單晶樣品。與先進的硅功率半導(dǎo)體器件相比，單晶襯底的尺寸仍然很小，缺陷水平仍然很高。

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的線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點。為了提高加工效率，有必要進一步發(fā)展大尺寸碳化硅晶體的切割工藝。襯底表面處理的質(zhì)量直接決定外延材料的表面缺陷密度，但大尺寸碳化硅襯底的研磨拋光工藝仍然不能滿足要求，因此有必要進一步開發(fā)研磨拋光工藝參數(shù)，以降低晶片表面粗糙度。

p型襯底技術(shù)研發(fā)滯后。目前商用的碳化硅產(chǎn)品是單極器件。未來的高壓雙極器件需要p型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷多，電阻率高，基礎(chǔ)科學(xué)問題尚未突破，技術(shù)發(fā)展滯后。

近年來，我國在碳化硅單晶材料領(lǐng)域取得了很大進展，但與國際水平相比仍有一定差距。除上述常見問題外，我國碳化硅單晶材料領(lǐng)域在以下兩個方面存在巨大風(fēng)險:

當?shù)靥蓟鑶尉髽I(yè)無法為國內(nèi)已經(jīng)/將要投產(chǎn)的6英寸芯片生產(chǎn)線提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料。

碳化硅材料的測試設(shè)備完全被外國公司壟斷。

2碳化硅外延材料

碳化硅外延材料領(lǐng)域的國際問題主要包括:

n型碳化硅外延生長技術(shù)有待進一步完善。目前外延材料生長過程中的氣流和溫度控制技術(shù)還不完善，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性外延材料的技術(shù)還存在一些挑戰(zhàn)，在一定程度上影響了中低壓碳化硅芯片成品率的提高。

p型碳化硅外延技術(shù)還不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極器件，需要重摻雜P型外延材料。目前還沒有低缺陷的高摻雜P型碳化硅外延材料。

近年來，我國碳化硅外延材料技術(shù)取得了長足的進步，申請了一系列專利，與其他國家的差距正在縮小。國產(chǎn)4英寸單晶襯底材料已批量使用，產(chǎn)品已進入國際市場。

但是，在以下兩個方面存在巨大風(fēng)險:

目前國內(nèi)碳化硅外延材料產(chǎn)品以4寸為主，但由于單晶襯底材料的限制，無法批量供應(yīng)6寸產(chǎn)品。

碳化硅外延材料加工設(shè)備的進口將制約我國自主產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3碳化硅功率器件

雖然碳化硅器件的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速，小范圍取代硅基二極管和IGBT的市場化進程已經(jīng)開始，但碳化硅功率器件的市場優(yōu)勢尚未完全形成，無法撼動目前硅功率半導(dǎo)體器件市場的主導(dǎo)地位。國際碳化硅器件領(lǐng)域的問題主要包括:

碳化硅單晶和外延技術(shù)不完善，高質(zhì)量的厚外延技術(shù)不成熟，使得制造高壓碳化硅器件非常困難，外延層的缺陷密度制約了碳化硅功率器件向大容量發(fā)展。

碳化硅器件的技術(shù)水平還比較低，是制約碳化硅功率器件發(fā)展和普及的技術(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)量氧化層生長工藝并不理想，使得碳化硅功率器件在不同程度的高溫和長期工作條件下存在可靠性低的缺陷。

在碳化硅功率器件的可靠性驗證方面，測試標準和評估方法基本遵循硅器件，沒有專門針對碳化硅功率器件特性的可靠性測試標準和評估方法，導(dǎo)致測試情況與實際可靠性存在差距。

在測試碳化硅功率器件方面，碳化硅器件的測試設(shè)備、測試方法和測試標準基本遵循硅器件的測試方法，導(dǎo)致碳化硅器件的動態(tài)特性和安全工作區(qū)測試結(jié)果不準確，缺乏統(tǒng)一的測試和評估標準。

除上述常見問題外，我國碳化硅功率器件的發(fā)展還存在一些問題，如R&D時間短、技術(shù)儲備不足、碳化硅功率器件R&D科研機構(gòu)少、R&D團隊的技術(shù)水平與國外有一定差距，尤其是在以下三個方面:

SiC MOSFET器件研發(fā)緩慢，只有少數(shù)單位有自主研發(fā)能力，存在一定程度上依賴國際代工公司制造芯片的劣勢，容易被他人控制，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。

碳化硅芯片的主要加工設(shè)備基本被國外公司壟斷，尤其是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等。我國用于大規(guī)模建立碳化硅生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備基本上需要進口。

碳化硅器件高端檢測設(shè)備被國外壟斷。

4碳化硅功率模塊

目前，碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫和高頻優(yōu)勢，需要不斷降低功率模塊的寄生電感，降低互連層的熱阻，提高芯片在高溫下的穩(wěn)定工作能力。目前，碳化硅功率模塊存在的主要問題有:

由于結(jié)電容小，開關(guān)速度快，多芯片并聯(lián)的碳化硅功率模塊在開關(guān)過程中會有極高的電流上升率(di/dt)和電壓上升率(dv/dt)。在這種情況下，會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾和額外損耗，不能充分發(fā)揮碳化硅器件的優(yōu)異性能。

碳化硅功率模塊的封裝技術(shù)和封裝材料基本遵循硅功率模塊的成熟技術(shù)，但在焊接、引線、基板和散熱方面的創(chuàng)新不足，功率模塊雜散參數(shù)大，可靠性低。

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技術(shù)和材料還不完全成熟。為了充分發(fā)揮碳化硅功率器件的高溫優(yōu)勢，需要進一步開發(fā)先進的燒結(jié)材料和工藝，在高溫、高可靠性封裝材料和互連技術(shù)上實現(xiàn)全面突破。

碳化硅功率半導(dǎo)體的5個問題

碳化硅功率器件雖然有廣闊的應(yīng)用前景，但受到價格昂貴等因素的限制。目前為止，市場規(guī)模不大，應(yīng)用范圍也不廣，主要集中在光伏、供電等領(lǐng)域。目前，碳化硅器件應(yīng)用中存在的主要問題如下:

碳化硅功率器件的驅(qū)動技術(shù)還不成熟。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)動芯片具有工作溫度高、驅(qū)動電流大、可靠性高的特點。目前驅(qū)動芯片采用的是硅器件的驅(qū)動技術(shù)，不能滿足要求。

碳化硅功率器件的保護技術(shù)并不完善。碳化硅功率器件具有開關(guān)頻率快、短路時間短的特點，目前的器件保護技術(shù)不能滿足要求。

碳化硅器件電路應(yīng)用的開關(guān)模型不能完全反映碳化硅功率器件的開關(guān)特性，也不能為碳化硅器件的電路拓撲仿真設(shè)計提供準確的指導(dǎo)。

碳化硅功率器件應(yīng)用中的電磁兼容性問題尚未完全解決。

碳化硅功率器件的電路拓撲不夠優(yōu)化。目前碳化硅功率器件的應(yīng)用電路拓撲基本遵循硅器件的電路拓撲，沒有開發(fā)出充分發(fā)揮碳化硅功率器件優(yōu)勢的新的電路拓撲結(jié)構(gòu)。

總的來說，第三代半導(dǎo)體技術(shù)還處于發(fā)展狀態(tài)，還存在很多不足。以目前使用程度最高的碳化硅為例，仍然存在幾個技術(shù)缺陷:

材料成本太高。目前碳化硅芯片的技術(shù)還沒有硅成熟，主要是4寸晶圓，材料利用率不高，而Si芯片的晶圓已經(jīng)發(fā)展到12寸。具體來說，對于相同規(guī)格的產(chǎn)品，碳化硅器件的整體價格是硅器件的5-6倍。

過高的溫度損失。碳化硅器件雖然可以在高溫下工作，但其高溫下的高功率損耗很大程度上限制了其應(yīng)用，這與器件開發(fā)之初的目的背道而馳。

包裝技術(shù)落后。目前，碳化硅模塊中使用的密封技術(shù)仍然遵循硅模塊的設(shè)計，其可靠性和壽命不能滿足其工作溫度的要求。

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