電子發(fā)燒友原創(chuàng) 章鷹

2023年，車規(guī)級碳化硅器件進入供不應(yīng)求的階段。當(dāng)前碳化硅市場處于結(jié)構(gòu)性缺貨中，車規(guī)級產(chǎn)品持續(xù)短缺，光伏、儲能需求也在增長。據(jù)博世中國執(zhí)行副總裁徐大全表示，由于新能源汽車快速發(fā)展，碳化硅芯片在未來2至3年都將呈現(xiàn)供不應(yīng)求的態(tài)勢。DIGITIMES Research預(yù)測，2030年全球電動汽車銷量有望超越5000萬輛，將帶動SiC功率器件于電動車市場銷售額突破八成。

5月3日，英飛凌與國內(nèi)碳化硅公司天科合達、天岳先進簽訂長期協(xié)議，以獲取高質(zhì)量且具有競爭力的6英寸碳化硅晶圓和晶錠，并助力其向8英寸碳化硅晶圓過渡。

圖：天域半導(dǎo)體8英寸SiC襯底

國內(nèi)碳化硅襯底有哪些主要類型？主要廠商推出了哪些類型的襯底？國內(nèi)碳化硅襯底進展如何？目前國內(nèi)SiC襯底企業(yè)與國際SiC襯底企業(yè)對比，有哪些優(yōu)劣勢？本文將做詳細的解讀。

碳化硅襯底兩大類型 8英寸嶄露頭角

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體，相對于硅有特定的優(yōu)勢。碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動車、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網(wǎng)等。

碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)是硅基的三倍，這令碳化硅器件的散熱性能突出，對冷卻系統(tǒng)的需求低，令整個系統(tǒng)的體積和重量得到一個大大的降低。碳化硅MOSFET的尺寸是硅基MOSFET尺寸的十分之一，導(dǎo)通電阻大大降低。基于碳化硅優(yōu)異的物理特性，這種材料非常適用于制作耐高壓、耐高溫、高頻的大功率器件。

圖：中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫

5月17日，在深圳半導(dǎo)體展上，來自中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫先生表示，碳化硅襯底有兩種，一種是半絕緣型碳化硅襯底在射頻器件上的應(yīng)用，根據(jù)Yole報告，隨著通信基礎(chǔ)建設(shè)和軍事應(yīng)用的需求發(fā)展，全球碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規(guī)模持續(xù)增長，預(yù)計從2020年的3.42億美元增長到2026年的22.22億美元，期間年均復(fù)合增長率達到17%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量有望因此獲益而持續(xù)增長。

一種是導(dǎo)電型碳化硅器件，碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動車、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網(wǎng)等。根據(jù)Yole報告，2021年碳化硅功率器件的市場規(guī)模為11億美元，受益于電動汽車、充電樁、光伏新能源等市場需求驅(qū)動，預(yù)計2027年將增長至63億美元，復(fù)合增長率34%。碳化硅襯底的需求因此獲益并取得快速增長。碳化硅功率器件在2028年整個功率器件市場的份額將會達到20%以上。

此前，美國電動汽車大廠特斯拉提出減少75%的碳化硅用量，這可能基于兩個方面考慮：首先碳化硅的供應(yīng)量是否能跟上需求增長；其次碳化硅成本相對比較高。業(yè)界同仁在碳化硅降低成本方面需要更多努力，以推動碳化硅在功率器件市場的滲透進一步提升。

國產(chǎn)碳化硅大尺寸化是大勢所趨。為什么要攻克8英寸襯底技術(shù)呢？馬康夫指出，8英寸SiC襯底和6英寸SiC襯底相比，襯底面積提升78%，尺寸越大，邊緣損失越少。出于成本考慮，碳化硅晶圓尺寸往更大的方向發(fā)展是必然的。晶圓尺寸更大，單片晶圓可以生產(chǎn)的器件數(shù)量就更多，帶來器件級別成本的降低。從數(shù)量上看，根據(jù) Wolfspeed 數(shù)據(jù)，從 6 英寸切換為 8英寸，碳化硅芯片數(shù)量有望從448 顆大幅增加至845顆。從成本上看，根據(jù)GTAT估計，相對于6英寸晶圓平臺，8英寸襯底將使得碳化硅器件整體成本降低20%到35%。

國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈和最新碳化硅襯底行業(yè)進展

中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長趙靜表示，2022年受到疫情影響，半導(dǎo)體進入下行周期。但是在新能源汽車、光伏、儲能應(yīng)用的需求增長下，第三代半導(dǎo)體的市場增長超預(yù)期。據(jù)CASA Research預(yù)測，到2026年，中國SiC、GaN功率器件的市場規(guī)模將達到366億元，年復(fù)合增長率達到36.5%。

國外碳化硅產(chǎn)業(yè)起步比較早，在下游應(yīng)用推動下，碳化硅領(lǐng)域龍頭企業(yè)掌握從襯底-外延-器件等碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)，長期霸占全球碳化硅器件市場。根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2022 年全球碳化硅器件市場營收規(guī)模較 2021 年增長 66%，市場份額排名前六名分別為 ST、Infineon、Wolfspeed、ROHM、Onsemi（安森美） 和Mitsubishi Electric。

在國際碳化硅襯底市場，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年全球半絕緣型碳化硅晶片廠商中，天岳先進排在 Wolfspeed 和貳陸公司之后，位居第三，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。國內(nèi)在碳化硅襯底領(lǐng)域起步晚，經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)了天科合達、天岳先進、三安光電等企業(yè)；二極管/晶體管設(shè)計及模塊封裝、系統(tǒng)集成等有中芯國際、比亞迪半導(dǎo)體等，累計超過 50 家企業(yè)從事碳化硅相關(guān)業(yè)務(wù)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2022年底，碳化硅襯底項目上馬了40多家，到今年4月，碳化硅襯底項目上馬50多家，但是現(xiàn)在有效產(chǎn)能非常有限。實現(xiàn)SiC襯底產(chǎn)業(yè)化的公司包括：山西爍科晶體有限公司、山東天岳股份有限公司、北京天科合達有限公司、河北同光半導(dǎo)體股份有限公司。

目前，碳化硅6英寸襯底技術(shù)成熟，預(yù)期產(chǎn)量的增加勢必在未來帶來競爭加劇，因此海內(nèi)外碳化硅襯底企業(yè)將8英寸晶圓開發(fā)提上日程，國內(nèi)碳化硅企業(yè)也是進展迅速。

第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，7家產(chǎn)業(yè)公司在SiC襯底領(lǐng)域有新進展。

去年3月，山西爍科晶體宣布，1月實現(xiàn)8英寸N型SiC拋光片的小批量生產(chǎn)。

2022年8月，晶盛機電研發(fā)出8英寸N型SiC晶體。

2022年9月，天岳先進8英寸SiC研發(fā)成功，在籽晶生長、粉料合成、熱場設(shè)計、工藝固化、過程控制、加工檢測等全流程實現(xiàn)技術(shù)自主可控，將投資1億元推進量產(chǎn)化。

2022年10月，南砂晶圓采用物理氣相傳輸法擴徑獲得了8英寸4H-SiC籽晶，用于8英寸導(dǎo)電型4H-SiC晶體生長，并且加工出厚度520um的8英寸4H-SiC襯底。

2022年11月，同光股份宣布已經(jīng)成功做出了8英寸SiC襯底樣片。

天科合達在2022年11月也發(fā)布了8英寸導(dǎo)電型SiC襯底，小規(guī)模量產(chǎn)的時間定在2023年。

2022年12月，科友半導(dǎo)體通過自主設(shè)計制造的電阻長晶爐產(chǎn)出直徑超過8英寸的SiC單晶。

中電科半導(dǎo)體材料公司總經(jīng)理助理馬康夫介紹說，山西爍科突破8英寸單晶生長及加工工藝關(guān)鍵技術(shù)，于2022年年初制備出8英寸N型/半絕緣型碳化硅單晶襯底； 6英寸N型襯底各類缺陷進一步減少，各項指標(biāo)逐步優(yōu)化，6英寸N型襯底已通過部分下游客戶MOS產(chǎn)品驗證。 2023年的產(chǎn)品、技術(shù)規(guī)劃大體有以下兩大方面：1、穩(wěn)定6英寸N型襯底生產(chǎn)工藝的同時，優(yōu)化改進生長加工工藝，提升良率，提升產(chǎn)品的一致性及穩(wěn)定性；2、降低生產(chǎn)成本，從生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)進行“瘦身”，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，進一步提升產(chǎn)品競爭力。

馬康夫?qū)μ蓟枰r底產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展進行了展望，他認為機遇和挑戰(zhàn)并行，碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)有三大機遇：1、碳化硅襯底行業(yè)國內(nèi)外差距較??；2、建廠投資少，襯底新玩家眾多；3、產(chǎn)業(yè)進一步細分。挑戰(zhàn)在于兩點：1、技術(shù)壁壘相對較高，時間積累，團隊支撐；2、導(dǎo)入窗口期有限。他給出行業(yè)的建議：1、加速提升產(chǎn)業(yè)化管理水平及規(guī)模；2、加強產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作；3、加速推動國產(chǎn)原材料替代進程。