碳化硅的前世今生之08：中国的崛起

早在1997年，中科院物理所就开始部署宽禁带半导体研发工作；1999年开始进行相关研究，在“一穷二白”没有任何技术，没有设备的情况下，一切从零开始，搭建设备，进行一些基础性实验，摸清碳化硅生长规律，整个过程耗时6年。

中国科学院物理研究所先进材料和结构分析实验室主任、团队负责人陈小龙研究员认为，碳化硅技术最大的困难是基础研究，因为材料是在2300至2500℃生长的，一些基本规律很难探索，难以直接观察晶体生长情况。

在整个生长过程中还涉及相变、各个晶型相互转换、气氛控制、生长中如何避免缺陷，尤其是一些微观缺陷的形成等问题。衬底生产过程中的核心难点在于精确控制。碳化硅单晶生长温度非常高，且碳化硅只有“固-气”二相，相比第一代、第二代半导体的“固-液-气”三相，控制起来要困难得多，没有相关技术可以参考借鉴。

另外，碳化硅的单晶结构有200余种同分异构体，很多晶型间的自由能差异非常小，这些都给其单晶的产业化生长制备带来了很大的挑战。这些问题都直接关系到碳化硅单晶体中的缺陷。

进入产业化阶段的最大问题在于怎样提高晶体良率，即长晶的重复性和稳定性一定要高。和实验室研究不同，产业化是一种生产行为，要求每次生长高度一致，最重要的还要降低成本，能够满足下游客户需求。如果不同批次的质量有所波动，下游客户是不能接受的。

2006年，该团队制作出2英寸晶体，在国内率先开始产业化工作。后来与北京天科合达合作将尺寸从2英寸、4英寸做到6英寸，降低了器件的成本。

陈小龙表示，目前面临的问题是进一步增加尺寸，6英寸不是一个终点尺寸，还有8英寸、12英寸，增加尺寸都会带来新的问题，无论是生长还是后续加工，都需要不断解决。

整体看，国内碳化硅领域和国际上最先进水平还是有些差距，晶圆方面应该有2至3年的差距；外延方面，研究本身差距不大，但是产业化方面有一些差距，特别是良率不如国外高。

器件方面的差距更大一些，有3至4年的差距，因为国外最先进的3300V器件已经开始进入市场，目前国内1200V的MOSFET器件刚刚开始成熟，能够进入市场。

现在，国外主流碳化硅晶圆是6英寸，国内6英寸的良率还有一些差距，仍以4英寸为主，大尺寸刚刚开始技术布局。不过，从6英寸到8英寸，生产设备的成本将大幅增加。但如果能够承担前期的成本，就可以在8英寸上获得领先机会。

在衬底方面，天科合达、山东天岳的国产良率和毛利率比国外巨头有10个点左右的差距，客户也是以国内为主。外延方面，瀚天天成、天域半导体等和国际大厂的差距不大。

根据Wolfspeed 2021年11月公布的碳化硅晶圆市场占有率，其晶圆份额为62%，而国内排名第一的天科合达为4%，排在第五位；数据中没有提及山东天岳，其此前Yole数据为3%。到目前为止，碳化硅衬底产能大部分来自Wolfspeed、II-VI和罗姆（SiCrystal）。碳化硅衬底及外延片市场Wolfspeed还是一家独大。

这两年，国内规划的碳化硅产能很多，山东天岳、同光晶体、露笑科技、三安光电、东尼电子、晶盛机电等都是年产200万片衬底产能，瀚天天成、天域半导体、凤凰光学等是100万片外延产能；器件的规划产能也不少。

与全球产业有所不同，中国在新能源汽车、光伏等碳化硅应用的主要市场有一定先发优势，需求已率先启动，市场规模占比大，因此我国碳化硅产业发展动力比较足。

目前看，碳化硅用量最大的还是电动汽车应用。Gartner的数据显示，2022年中国电动汽车的销量可能会达到600万辆。2021年1至12月，我国新能源乘用车批发总量达到331.2万辆，同比增长181.0%；零售量达到了298.9万辆，同比增长169.1%，发展非常迅猛。不过，虽然很多电动汽车都采用了碳化硅器件，但是大都用的是国外的器件。这种情况既是差距也是机会，关键看如何去把握。

“十二五”初期，研发第三代功率半导体器件的热潮在中国掀起，新能源汽车电驱动领域设置了三个重点研发专项，从下游应用端拉动了碳化硅功率器件的研发和产业化。

在碳化硅产业链中，参与的公司分为几类：以三安光电为代表的化合物半导体公司；以华润微为代表的功率器件制造商；以斯达半导为代表的功率器件设计公司。

体系上有两个：一个是中电科，另一个是中科钢研，企业包括天科合达、山东天岳、泰科天润等碳化硅公司，以及中车时代电气、比亚迪、华为等终端厂商。

进入2021年，在新能源汽车加速驱动下，国内碳化硅产业链蓄势待发。在未来庞大的市场需求推动下，几乎所有半导体公司都在积极布局碳化硅的研发、推广新产品和扩大产能，碳化硅项目可谓遍布全国。因此，2021年被业界誉为“碳化硅”应用元年。

和所有新技术一样，时间和经验已经将宽禁带技术纳入了正确的视角。Gartner的“炒作周期曲线”说明了新技术的采用周期，随着时间推移，这项技术证明了它自己，并在生产力的乐观平台上有了更缓和的上升——这项技术已经投入使用。

除了汽车应用，碳化硅材料和器件在军工国防领域的重要作用也越来越突出，而碳化硅外延设备在推动产业链国产化过程中意义尤为重大。

伴随中美贸易战的不断升级，半导体芯片领域成为了必争之地，也让建立本土碳化硅供应链和产品国产化变得越来越重要。

受《瓦森纳协定》的出口管制影响，用于有源相控阵雷达、毫米波通信设备等的军事装备的半绝缘碳化硅衬底国产化已成为刚需。

《瓦森纳协定》是一项由42个国家签署，管制传统武器及军商两用货品出口的条约。2008年修订后，该协定限制半绝缘碳化硅衬底等材料向中国等部分国家出口。此外，根据美国商务部工业与安全局（BIS）出口管制清单，碳化硅芯片为限制出口产品，碳化硅衬底国产化必要性一目了然。

一是碳化硅衬底，根据Yole统计，2020年中国企业半绝缘型衬底发展较快，国内头部企业市占率逐步提升，山东天岳市占率从2019年18%提升至2020年的30%，不过，市场需求量更大的是导电型衬底。

研究显示，2024年8英寸晶圆的成本将是6英寸的37%，所以，实现降本增效的大尺寸碳化硅衬底和晶圆已成主流发展趋势。目前，国内单晶衬底主要是4英寸，6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底已经开发出来。2022年1月，烁科晶体实现8英寸n型碳化硅抛光片小批量生产，向国产化批量生产迈出了关键一步。

山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底研发；中电科装备研制出6英寸半绝缘型衬底；华润微有3条6英寸产线和一条正在建设的12英寸产线，并拥有国内首条商用量产6英寸碳化硅晶圆产线。露笑科技2020年也引进了碳化硅研发团队和地方政府的投资。

二是碳化硅外延片，始于“九五计划”，材料生长技术及器件研究均取得了较大进展，主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等，产业化主要是天域半导体和瀚天天成。

目前，我国6英寸碳化硅外延晶片已开始实现商业化，可以满足3300V及以下电压等级碳化硅功率器件的研制，但在10000V及以上电压等级器件和研制双极型器件方面仍有待突破。

国内做外延片的厂商瀚天天成和天域半导体均可供应4至6英寸外延片，中电科13所、55所也有内部供应外延片的部门，三安集成也在积极布局碳化硅衬底制造和碳化硅、氮化镓外延生长技术；台湾地区有嘉晶电子，已在试产6英寸碳化硅晶圆。

北方华创为化合物半导体生产开发刻蚀机等设备，至今在碳化硅晶体生长设备和技术研发方面已有十余年积累。其碳化硅外延设备已实现突破，开始销售。

能讯半导体拥有先进的GaN-on-Si及GaN-on-SiC外延工艺，可以满足微波功率器件及功率器件需求。公司的亚微米栅极技术、钝化层技术、衬底减薄通孔（Via）技术等可满足制造要求。

三是碳化硅器件，国内与国外的差距较大，90%以上份额被国外公司占据。目前，SBD国内已经量产，但至少相差一代。OBC方面，国内通过车企测试的只有一两家，MOSFET处于送样验证阶段，电流密度、减薄工艺、可靠性都亟需提升。

国内从事碳化硅器件设计制造的企业包括泰科天润、华润微、绿能芯创、瞻芯电子、基本半导体、中国中车等；模块方面有斯达半导体、比亚迪电子、中车时代电气等。

目前，国际上商用碳化硅功率模块产品最高电压等级为3300V，最大电流700A，最高工作温度175℃。研发中的全碳化硅功率模块最大电流容量已达1200A，最高工作温度达250℃，模块性能通常以芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来保证。

参与碳化硅全流程布局的有三安光电、世纪金光等；IDM生产器件和模块的企业有泰科天润、瑞能半导体、汇川技术、宇顺电子、延辉众创、中国中车等，产品已经广泛应用于智能电网、新能源汽车以及城市轨道交通等领域。器件设计企业还有台湾瀚薪、深圳基本半导体等。

此时此刻，恰逢国产替代的黄金期，产品验证壁垒及周期有所降低，制造业升级带来电动化的内生增量空间也有助于加速我国碳化硅器件的发展。

此外，我国碳化硅产业上游扩产与器件研发正在同步进行，相比全球产业的前期渗透，初创期将大大缩短，因此，碳化硅产业的发展值得期待。

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