独领风骚,无与伦比的碳化硅（SiC)，它为何这么香？

言：加速发展的数字化和能源效率等全球趋势，给制造商和半导体市场带来了新的挑战，而第三代半导体碳化硅可谓非常火热。

何为碳化硅？

碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。

碳化硅（SiC）半导体材料是自代元素半导体材料（Si、Ge）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后崛起的第三代半导体材料。作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等特点，凭借其耐高温、耐高压、高频的特性在功率器件领域得到了广泛的应用。

1.碳化硅材料特性

SiC 以多种多晶型晶体结构存在，称为多型，例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在实际功率器件制造中通常是首选。直径为3英寸至6英寸的单晶4H-SiC晶片可商购获得。

与 Si 相比，SiC 具有十倍的介电击穿场强、三倍的带隙和三倍的热导率。SiC 器件可以承受更高的击穿电压，具有更低的电阻率，并且可以在更高的温度下工作。

图 1 碳化硅材料的特性

2.SiC单晶制备

碳化硅衬底制备技术包括 PVT 法（物理气相传输法）、溶液法和HTCVD法（高温气相化学沉积法）等，目前国际上基本采用PVT法制备碳化硅单晶。SiC单晶生长经历3个阶段，分别是Acheson法、Lely法、改良Lely法。

利用SiC高温升华分解特性，可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体，它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气体（氩气）环境温度为 2 500℃的条件下进行升华生长，可以生成片状SiC晶体。

但Lely法为自发成核生长方法，较难控制所生长SiC晶体的晶型，且得到的晶体尺寸很小，后来又出现了改良的Lely法，即PVT 法（物理气相传输法），其优点在于：采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型，克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶。

碳化硅的历史与应用

SiC 在自然界中以矿物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不过，自1893 年以来，粉状碳化硅已被大量生产用作研磨剂。碳化硅用作研磨剂已有一百多年的历史，主要用于磨轮和众多其他研磨应用。

早期碳化硅应用于LED灯和避雷针。而利用当代技术，人们已使用SiC 开发出高质量的工业级陶瓷。这些陶瓷展现出颇具优势的机械特性，如：高硬度、高强度、低密度、高弹性模量、高抗热震性、优越的化学惰性、高导热率、低热膨胀。这些高强度、较持久耐用的陶瓷广泛用于各类应用，如汽车制动器和离合器，以及嵌入防弹背心的陶瓷板。碳化硅也用于在高温和/或高压环境中工作的半导体电子设备，如火焰点火器、电阻加热元件以及恶劣环境下的电子元器件。

SiC研磨片碳化硅仍然在许多工业应用中用作研磨剂。其在电子行业中主要用作抛光膜，用于在拼接前为光导纤维的两端抛光。这些膜片能够给光纤接头带来有效运作所需的高光洁度

在微电子领域，碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补，氮化镓半导体材料的市场应用领域偏向中低电压范围，集中在1000V以下，而1000V以上的中高电压范围，则是碳化硅的天下。1200V以上的碳化硅应用领域有新能源汽车，光伏，机车牵引，智能电网等，高铁机车的牵引电压在6500V以上，地铁则一般在3300V左右。

碳化硅半导体在军事、航天上也有许多应用，不管是电力电子，还是微波设备，在军工领域均有大量应用。

碳化硅产业链

碳化硅产业链主要分为晶片制备、外延生长、器件制造、模块封测和系统应用等几个重要的环节。其中外延生长是承上启下的重要环节，具有非常关键的作用。预计到2023年碳化硅外延设备的年复合增长率有望超过50%。

碳化硅外延设备市场前景

下游市场需求崛起

上中游企业火热加速布局，的驱动力无疑来源于下游终端应用的市场需求。随着碳化硅、氮化镓衬底、外延片质量持续提升，上游材料产能不断扩张，碳化硅、氮化镓器件与传统器件价差持续缩小、性能日益稳定及提高，进一步获得下游认可。

碳化硅方面，我国衬底企业主要有山东天岳、天科合达、中科钢研节能、世纪金光等，外延片企业主要有瀚天天成、天域半导体、世纪金光等，器件制造方面有厦门三安集成、海威华芯等，IDM企业主要有泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽以及中电科十三所、中电科五十五所等。

历经多年的沉淀与积累，我国第三代半导体产业已有了长足进步。根据第三代半导体产业技术创新战略联盟发布的报告，2019年我国第三代半导体领域技术已基本完成从小批量的研发向规模化、商业化的跨越。

材料方面，2019年GaN衬底已实现2-3英寸衬底小批量产业化，4英寸可提供样品；用于电力电子器件的Si基GaN外延基本实现6英寸产业化和8英寸材料的样品研发。

器件方面，2019年商业化的Si基GaN HEMT最高电压为650V；硅基GaN射频器件性能位于国际前列水平，工作频率145GHz-220GHz，已实现规模量化供货。SiC器件国内外产品涵盖的电压等级已经基本无差别，SiC SBD覆盖600V-3300V的电压范围；SiC MOSFET方面，全SiC功率模块最高规格为1200V/600A等。

不过，目前全球第三代半导体产业大部分市场份额仍被美国、欧洲、日本等国家地区企业所占据，我国第三代半导体企业在产能规模、解决方案、市场渠道以及品牌信任度等方面均与国际企业有较大差距，如今正在努力追赶中。

碳化硅的未来

因此，碳化硅和第三代半导体，在整个行业范围内仍然是在探索过程中发展，远未达到能够大规模替代第二代半导体的成熟产业地步，潜在市场的荒原依然巨大。市场内最先进的玩家，也仍然面临诸多短板有待弥补，因此群雄逐鹿尚未分明，任何已经出具规模的参与者，都还有翻盘超越的机会。同时希望更多的企业沉下心来去发展碳化硅技术，去发酵，成熟牢靠的技术才是发展产业的奠基石。