半導(dǎo)體行業(yè)是碳化硅材料發(fā)展?jié)摿ψ畲蠛彤a(chǎn)業(yè)附加值最高的應(yīng)用方向。
二十世紀(jì)九十年代以來，美、日、歐和其他發(fā)達國家為了保持航天、軍事和技術(shù)上的優(yōu)勢，將發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位，相繼投入了大量的人力和資金對碳化硅材料和器件技術(shù)進行了廣泛深入的研究，旨在提升其裝備系統(tǒng)的能力和減小組件的體積，目前已經(jīng)取得了重大的突破。
一、碳化硅概述
碳化硅（SiC）又叫金剛砂，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕見，主要通過人工合成。按晶體結(jié)構(gòu)的不同分類，碳化硅可分為兩大類：αSiC和βSiC。
碳化硅材料具有優(yōu)良的熱力學(xué)和電化學(xué)性能。
在熱力學(xué)方面，碳化硅硬度在20℃時高達莫氏9.2-9.3，是最硬的物質(zhì)之一，可以用于切割紅寶石；導(dǎo)熱率超過金屬銅，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其熱穩(wěn)定性高，在常壓下不可能被熔化；
在電化學(xué)方面，碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點，其禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場為Si的10倍；且其耐腐蝕性極強，在常溫下可以免疫目前已知的所有腐蝕劑。
二、碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈
半導(dǎo)體材料是碳化硅最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一，碳化硅是目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料。隨著生產(chǎn)成本的降低，SiC半導(dǎo)體正在逐步取代一、二代半導(dǎo)體。
碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、模塊封裝和終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)。
1.碳化硅高純粉料
碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長質(zhì)量以及電學(xué)性能。
碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學(xué)氣相沉積法、等離子體法和激光誘導(dǎo)法等。
2.單晶襯底
單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。
目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD法）等。
3.外延片
碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應(yīng)用中，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。
目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學(xué)氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。
4.功率器件
采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。
從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領(lǐng)域的功率器件。
5.模塊封裝
目前，量產(chǎn)階段的相關(guān)功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主，少數(shù)采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。
6.終端應(yīng)用
在第三代半導(dǎo)體應(yīng)用中，碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢在于可與氮化鎵半導(dǎo)體互補，氮化鎵半導(dǎo)體材料的市場應(yīng)用領(lǐng)域集中在1000V以下，偏向中低電壓范圍，目前商業(yè)碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)品電壓等級為600~1700V。
由于SiC器件高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性和輕量化等優(yōu)勢，下游行業(yè)需求持續(xù)增加，有取代SiO2器件的趨勢。
三、市場應(yīng)用與預(yù)測
碳化硅半導(dǎo)體的應(yīng)用
眾所周知，碳化硅半導(dǎo)體功率器件可以應(yīng)用在新能源領(lǐng)域。“現(xiàn)在我們新能源汽車所用的電可能還有煤電，未來光伏發(fā)電就會占有更多比重，甚至全部使用光伏發(fā)電�！敝锌圃涸菏繗W陽明高曾在一次討論會上這樣說過，光伏需要新能源汽車來消費儲能，而新能源汽車也需要完全的可再生能源。
下一步兩者的結(jié)合將形成新的增長點。在歐陽院士提到的三種主要應(yīng)用“光伏逆變器+儲能裝置+新能源汽車”中，碳化硅（SiC）MOSFET功率器件都是不可或缺的重要半導(dǎo)體器件。
1.光伏逆變器
國內(nèi)著名光伏逆變器公司合肥陽光電源在2018年累計出貨了超過15萬臺使用碳化硅功率器件的光伏設(shè)備，其中已經(jīng)累計使用超過150萬顆碳化硅功率器件。明確指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，顯著提高開關(guān)頻率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系統(tǒng)成本和運維成本。
2.充電樁
這里主要是指大功率直流充電樁，國內(nèi)目前通常是60kW功率等級。國際著名電源模塊公司臺達電源，在某論壇上曾介紹了電動汽車的充電場景，并表示基于英飛凌碳化硅模塊easy1B和2B的基礎(chǔ)上，提出自有的多種應(yīng)用拓撲圖模式，成功地為歐盟350kW大功率充電站提供了全面解決方案。
3.新能源汽車
車載充電器：這里主要是指小功率交流充電器，輸入電壓為AC220V。目前國內(nèi)該行業(yè)龍頭企業(yè)比亞迪和欣銳科技都已經(jīng)使用了碳化硅功率器件，并且取得了良好的產(chǎn)品性能和市場影響力。
電機驅(qū)動控制器：自從國際著名汽車公司日本豐田公司宣布與日本電裝株式會社（DENSO）合作開發(fā)了全球第一款全碳化硅功率器件的電機驅(qū)動控制器后，國際國內(nèi)相關(guān)企業(yè)都開展了深入的研究。美國著名公司特斯拉Tesla宣布在他的Model3車型使用了碳化硅功率器件的電機驅(qū)動控制器。
4.智能電網(wǎng)
在高壓電網(wǎng)傳輸過程中，通常會采用3kV以上功率器件，例如硅IGBT或者碳化硅MOSFET。美國University of Arkansas教授Alan Mantooth研究指出，可以采用多顆1200VMOSFET串聯(lián)起來的拓撲圖應(yīng)用方案用于承受10kV高電壓。
碳化硅半導(dǎo)體市場預(yù)測
導(dǎo)通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的基材。根據(jù)Yolo公司統(tǒng)計，2017年4英寸碳化硅晶圓市場接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預(yù)計到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25%，6英寸碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。
半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯(lián)，傳感感應(yīng)器件上具備廣闊的應(yīng)用空間。當(dāng)前主流半絕緣襯底的產(chǎn)品以4英寸為主。
2017年，全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預(yù)計到2020年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片，而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升至4~5萬片。
隨著國際上碳化硅功率器件技術(shù)的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiCJBS和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。
Yole公司預(yù)測，2017~2020年，碳化硅器件的復(fù)合年均增長率超過28%，到2020年市場規(guī)模達到35億元人民幣，并以超過40%的復(fù)合年均增長率繼續(xù)快速增長。預(yù)計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過150億元人民幣，到2030年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將超過500億元人民幣。
國內(nèi)碳化硅器件的市場約占國際市場的40%~50%。
結(jié)語
碳化硅作為半導(dǎo)體材料發(fā)展?jié)摿薮�，且目前正處在行業(yè)發(fā)展的初期，不管是理論研究，還是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用都具有廣闊空間。因此，開發(fā)碳化硅在半導(dǎo)體領(lǐng)域的全部價值是實現(xiàn)快速發(fā)展的關(guān)鍵。你對此有什么看法嗎？歡迎轉(zhuǎn)發(fā)朋友圈，留下你的看法。
參考來源
楊璽等. 簡析碳化硅在半導(dǎo)體行業(yè)中的發(fā)展?jié)摿?/span>
曹峻. 碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)和市場應(yīng)用綜述
葛海波等. 碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
