SiC半导体产业发展趋势

半导体材料作为电子信息技术发展的基础，经历了数代的更迭。随着下游应用场景提出更高要求，以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表的第三代半导体材料逐渐进入产业化加速放量阶段。

SiC性能

碳化硅SiC具有200多种晶型，以其主流的4H-SiC为例，其禁带宽度为3.2eV，饱和电子迁移率、击穿电场强度以及热导率均优于传统的硅基半导体，具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件。

①耐高压：击穿电场强度大，是硅的10倍，用SiC制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。

②耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。SiC的禁带接近硅的3倍，可以保证器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过 300℃，而SiC器件的极限工作温度可以达到 600℃以上。同时，SiC的热导率比硅更高，有助于器件的散热，在同样的输出功率下保持更低的温度，SiC器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化。

③高频性能：SiC的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了SiC器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

基于上述优良特性，SiC衬底的使用极限性能优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求，已应用于射频器件及功率器件，广泛应用于新能源汽车、 光伏、工控、射频通信等领域。

图1：不同半导体材料性能对比

SiC产业链

SiC材料为衬底的产业链主要包括衬底材料的制备、外延层的生长、器件设计制造以及下游应用市场。目前，SiC行业中的企业形成两种商业模式，第一种覆盖完整产业链各环节，同时从事SiC衬底、外延、器件及模组的制作，例如Wolfspeed、Rohm以及国内的三安光电等；第二种则只从事产业链的单个环节或部分环节，如Ⅱ-Ⅵ仅从事衬底及外延的制备，英飞凌则只负责器件及模组的制造。当前，国内的SiC生产厂商大多属于第二种商业模式，聚焦产业链部分环节。

图2：SiC产业链

图3：SiC产业链国内外公司布局

SiC衬底

SiC衬底是由高纯硅粉、碳粉合成为SiC粉体后，通过晶体生长成为晶锭，之后加工得到标准直径尺寸的SiC晶体，再经过切磨抛工艺获得表面无损伤的SiC抛光片，最后对其进行检测、清洗，交付下游外延厂商使用。

SiC 粉体可使用气相法、液相法及固相法合成，目前产业中主要使用固相法中自蔓延高温合成法，即将固态的 Si 源和C源作为原料，使其在 1400～2000℃的高温下持续反应，最后得到高纯 SiC 粉体。这种方法原料便宜，合成质量稳定，合成效率高。目前各家衬底厂商基本自产高纯 SiC 粉末。

在SiC粉体的基础上，进行SiC单晶的生长。SiC单晶主要有物理气相传输法(PVT)、高温化学气相沉积(HTCVD)法和液相外延法（LPE)法，目前 PVT 法由于设备易于制造、长晶过程更好控制以及成本较低等优点，是业内最成熟的工艺。其原理是通过将处于2000℃以上的 SiC 原料升华分解成气相物质，然后输运到温度较低的籽晶处，从而结晶生成 SiC单晶。SiC晶体的生长环境复杂、工艺控制难度大，整体良率较低。据天岳先进招股书披露，公司晶棒环节整体良率在50%左右。

生长完成的 SiC 晶锭在经过初加工定型后，还需要经过切磨抛环节制成SiC抛光片。由于SiC的硬度极大，在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。据天岳先进招股书披露，公司衬底生产环节整体良率在75%左右。

根据电导率的不同，SiC衬底可以分为导电型和半绝缘型：电阻率≥10^6Ω·cm为半绝缘型SiC衬底，电阻率区间为 15~30mΩ·cm的导电型SiC衬底。目前半绝缘型SiC衬底的国产化率较高，天岳先进在全球半绝缘型SiC衬底的市占率在30%以上，和II-IV、Wolfspeed等相当。导电型SiC衬底的国产化成为当前焦点：导电型衬底对应下游新能源车、光伏等高成长性市场，国内厂商如天科合达具有一定的收入规模，但占比较小。

图4：碳化硅衬底制备流程

SiC外延

外延可分为同质外延和异质外延，为了满足 SiC 器件在不同应用领域对电阻等参数的特定要求，必须在衬底上进行满足条件的外延后才可制作器件，因此外延质量的好坏将会影响器件的性能。

目前外延方式主要有两种：一种是在导电型SiC衬底上外延SiC薄膜的同质外延，主要用于MOSFET、IGBT等高压功率半导体领域，另一种是在半绝缘型SiC衬底上生长GaN 薄膜的异质外延，用于GaN HEMT等中低压功率半导体、射频器件以及光电器件等。

外延工艺主要包括升华或物理气相传输法PVT、分子束外延MBE、液相外延LPE以及化学气相外延CVD。CVD是当前主流的SiC同质外延生产方式：采用 H2 作为载气，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作为Si源与C源，在淀积室发生化学反应后生成 SiC分子并沉积在碳化硅衬底上。

SiC外延的关键参数包括厚度以及掺杂浓度均匀性。随着下游器件应用场景中电压的增加，外延层厚度逐步增加，掺杂浓度降低。国内SiC外延技术在中低压领域可以做到较好的性能水平，但是在高压领域仍相对落后。以龙头Wolfspeed为例，其N型和P型的外延厚度均可做到200μm以上，而国内外延厂商如瀚天天成、东莞天域等还处于30-40μm水平。

另外，外延设备也是限制SiC产能建设的一方面。外延生长设备目前被意大利的 LPE 公司、德国 AIXTRON 公司以及日本 Nuflare 和 TEL 公司所垄断，主流 SiC 高温外延设备交付周期已拉长至 1.5-2 年左右。国内晶盛机电，北方华创等企业开始小批量生产碳化硅外延设备。

晶圆制造

SiC晶圆制造工艺与硅基半导体制造工艺基本一致，主要包括光刻、薄膜沉积、热处理、清洗等环节。然而由于SiC独特的材料特性，需要特定的设备进行特定的工艺开发。

（1）在掺杂工艺中，传统硅基材料可以用扩散的方式完成掺杂，但由于SiC扩散温度远高于硅，无法使用扩散工艺，只能采用高温离子注入的方式；是否具备高温离子注入机，是衡量SiC生产线的重要标准之一。

（2）高温离子注入后，材料原本的晶格结构被破坏，需要用高温退火工艺进行修复。SiC退火温度高达 1600℃，这对设备和工艺控制都带来了极大的挑战。

（3）SiC器件工作温度可达 600℃以上，组成模块的其他材料，如绝缘材料、焊料、电极材料、外壳等也无法与硅基器件通用；

（4）器件的引出电极材料也需要同时保证耐高温和低接触电阻，大部分材料难以同时满足两条要求。

图5：碳化硅晶圆所需特定设备

发展趋势

综合来看，我国SiC半导体产业发展趋势可以总结为以下三点：

（1） 成本优势驱动衬底大尺寸化发展：衬底直径为衡量晶体制备水平重要指标之一，目前导电型碳化硅衬底以6英寸为主，8英寸衬底开始发展，而半绝缘碳化硅衬底以4英寸为主，逐渐向6英寸、8英寸方向发展。单片衬底制备芯片数量随衬底尺寸增大而增多，同时边缘芯片占比也显著改善。从6寸到8寸，SiC器件成本降低20-35%，可以多切近90%数量芯片，边缘浪费降低7%。行业龙头Wolfspeed已经成功研发8英寸产品。

（2） 一体化趋势：在SiC领域，IDM模式优势明显，国内外有实力公司均在企业完善衬底、外延及器件全产业链布局。国外厂商方面，意法半导体于2019年 12 月收购瑞典 Norstel，开始布局 SiC 衬底及外延；II-VI 公司在2020年收购Ascatron、INNOViON以及 GE 的 SiC IP 授权，进一步垂直整合SiC业务。国内厂商三安光电宣布投资160亿元建设湖南三安半导体项目，将打造国内首条、全球第三条碳化硅垂直整合产业链。同时，碳化硅衬底、器件厂商往往与汽车等设备制造商签订长期合作协议，加强产业链上下游协同。

（3）国产化替代趋势：SiC未来市场主要是由其在新能源汽车和光伏等领域的需求在推动。我国在新能源汽车和光伏领域的生产制造均处于国际领先地位，大部分原材料也实现了国产化，所以SiC就成了问题所在。在有了之前硅基先进制程芯片被卡脖子的教训之后，相信在SiC领域会积极建设国内产业链。目前SiC产业的国产化主要存在两个焦点：1是导电型衬底的突破及市场提升，对应下游新能源车、光伏的市场需求；2是相关设备国产化，包括单晶炉设备、外延设备以及相应的制程设备等。

转载微信公众号：化合物半导体

声明：本文版权归原作者所有，转发仅为更大范围传播，若有异议请联系我们修改或删除：zhangkai@cgbtek.com