綠碳化硅微粉 碳化硅發(fā)展趨勢、難點(diǎn)痛點(diǎn)以及國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈解析

數(shù)據(jù)來源：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟《第三代半導(dǎo)體電力電子技術(shù)路線圖》

03、SiC器件市場未來將實(shí)現(xiàn)快速增長

根據(jù)YoleDéveloppement的數(shù)據(jù)，2018年全球SiC器件市場規(guī)模為4.2億美元，2019年規(guī)模增長至5.64億美元。未來，隨著電動汽車、動力電池，以及電力供應(yīng)和太陽能的發(fā)展，SiC器件市場將進(jìn)一步快速增長，特別是電動汽車及動力電池的驅(qū)動。預(yù)計2024年，全球SiC器件市場規(guī)模將增長至20億美元，2018至2024年期間的復(fù)合增長率接近30%。根據(jù)Yole預(yù)測，2020年SiC器件市場規(guī)模仍有增長，預(yù)計在2023年隨著電動汽車的崛起開始快速增長。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)，2023年全球SiC器件需求有望達(dá)16.44億美元，2017-2023年復(fù)合增速約為26.6%；下游主要應(yīng)用場景包含EV、快充樁、UPS電源（通信）、光伏、軌交以及航天軍工等領(lǐng)域，其中電動車行業(yè)有望迎來快速爆發(fā)（CAGR81.4%），通信、光伏等市場空間較大。伴隨SiC器件成本下降，全生命周期成本性能優(yōu)勢有望不斷放大，潛在替代空間巨大。

先進(jìn)半導(dǎo)體材料已上升至國家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過50%。底層材料與技術(shù)是半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，在2025中國制造中，分別對第三代半導(dǎo)體單晶襯底、光電子器件/模塊、電力電子器件/模塊、射頻器件/模塊等細(xì)分領(lǐng)域做出了目標(biāo)規(guī)劃。在任務(wù)目標(biāo)中提到2025實(shí)現(xiàn)在5G通信、高效能源管理中的國產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場滲透率達(dá)到80%以上。

行業(yè)競爭情況

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場CREE一家市占率高達(dá)6成之多；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強(qiáng)大的話語權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。

01、碳化硅功率器件制備及產(chǎn)業(yè)鏈

SiC功率器件的制備過程，包含SiC粉末合成、單晶生長、晶片切磨拋、外延（鍍膜）、前道工藝（芯片制備）、后道封裝。

圖：SiC功率半導(dǎo)體制備工藝

目前，SiC襯底主要制備過程大致分為兩步：第一步SiC粉料在單晶爐中經(jīng)過高溫升華之后在單晶爐中形成SiC晶錠；第二步通過對SiC晶錠進(jìn)行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片（即SiC襯底）。

圖：SiC功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)鏈

02、碳化硅全球競爭格局

高技術(shù)門檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場以日美歐寡頭壟占，國內(nèi)企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主。目前，國內(nèi)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，山東天岳公司、北京天科合達(dá)公司和河北同光晶體公司分別與山東大學(xué)、中科院物理所和中科院半導(dǎo)體所進(jìn)行技術(shù)合作與轉(zhuǎn)化，在SiC單晶襯底技術(shù)上形成自主技術(shù)體系。國內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時山東天岳、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)；中電科裝備已成功研制出6英寸半絕緣襯底。

圖：海外碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

圖：國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

03、國內(nèi)碳化硅襯底競爭對比

【碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問題】

盡管全球碳化硅器件市場已經(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題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、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擴(kuò)大的步伐。

1、 碳化硅單晶材料

國際上碳化硅單晶材料領(lǐng)域存在的問題主要有：

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)問題尚未得到突破，技術(shù)開發(fā)滯后。

近年來，我國碳化硅單晶材料領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外，我國碳化硅單晶材料領(lǐng)域在以下兩個方面存在巨大的風(fēng)險：

是本土碳化硅單晶企業(yè)無法為國內(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。

碳化硅材料的檢測設(shè)備完全被國外公司所壟斷。

2、 碳化硅外延材料

國際上碳化硅外延材料領(lǐng)域存在的問題主要有：

N型碳化硅外延生長技術(shù)有待進(jìn)一步提高。目前外延材料生長過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P型重?fù)诫s外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重?fù)诫s的P型碳化硅外延材料。

近年來我國碳化硅外延材料技術(shù)獲得了長足進(jìn)展，申請了一系列的專利，正在縮小與其它國家的差距，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)打入國際市場。

但是，以下兩個方面存在巨大的風(fēng)險：

目前國內(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，將制約我國獨(dú)立自主產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。

3、碳化硅功率器件

雖然國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的市場化進(jìn)程，但是碳化硅功率器件的市場優(yōu)勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導(dǎo)體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領(lǐng)域存在的問題主要有：

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證方面，其試驗標(biāo)準(zhǔn)和評價方法基本沿用硅器件，尚未有專門針對碳化硅功率器件特點(diǎn)的可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)和評價方法，導(dǎo)致試驗情況與實(shí)際使用的可靠性有差距。

在碳化硅功率器件測試方面，碳化硅器件測試設(shè)備、測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)基本沿用硅器件的測試方法，導(dǎo)致碳化硅器件動態(tài)特性、安全工作區(qū)等測試結(jié)果不夠準(zhǔn)確，缺乏統(tǒng)一的測試評價標(biāo)準(zhǔn)。

除了以上共性問題外綠碳化硅微粉，我國碳化硅功率器件領(lǐng)域發(fā)展還存在研發(fā)時間短，技術(shù)儲備不足，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)隊的技術(shù)水平跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下三個方面差距巨大：

在SiC MOSFET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際代工企業(yè)來制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。

碳化硅芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(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設(shè)備被國外所壟斷。

4、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，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)過程中會出現(xiàn)極高的電流上升率（di/dt）和電壓上升率（dv/dt），在這種情況下會產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無法發(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，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。

5、碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問題

盡管碳化硅功率器件應(yīng)用前景廣闊，但是目前受限于價格過高等因素，迄今為止，市場規(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)用存在的主要問題有：

碳化硅功率器件的驅(qū)動技術(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)動芯片具有工作溫度高、驅(qū)動電流大和可靠性高的特點(diǎn)。目前驅(qū)動芯片沿用硅器件的驅(qū)動技術(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，尚不能對碳化硅器件的電路拓?fù)浞抡嬖O(shè)計提供準(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)?，沒有開發(fā)出完全發(fā)揮碳化硅功率器件優(yōu)勢的新型電路拓?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)上尚有幾個缺陷：

材料成本過高。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格達(dá)到硅器件的5-6倍。

高溫?fù)p耗過大。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，其可靠性和壽命均無法滿足其工作溫度的要求。

【技術(shù)發(fā)展趨勢】

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)勢突出、應(yīng)用場景明確、又有產(chǎn)業(yè)鏈上下游龍頭企業(yè)積極投入，可目前市場滲透率仍低。究其原因綠碳化硅微粉，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環(huán)節(jié)（襯底制作，外延制作、芯片制程、封裝測試）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，國外龍頭企業(yè)預(yù)計將在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)展時間不長，有待更多應(yīng)用驗證。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，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。從整個功率半導(dǎo)體市場來看，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。

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