碳化硅（SiC）材料是功率半導(dǎo)體行業(yè)主要進(jìn)步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)內(nèi)，新能源汽車(chē)是碳化硅功率器件的主要應(yīng)用場(chǎng)景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線(xiàn)車(chē)企亦皆計(jì)劃擴(kuò)大碳化硅的應(yīng)用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來(lái)可期。

　　【什么是碳化硅？】

　　碳化硅（SiC）是第三代化合物半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：第一代半導(dǎo)體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導(dǎo)體材料（碳化硅、氮化鎵） 。碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對(duì)應(yīng)高擊穿電場(chǎng)和高功率密度）、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，將是未來(lái)最被廣泛使用的制作半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料。

　　【碳化硅的物理化學(xué)性能】

　　碳化硅在半導(dǎo)體芯片中的主要形式為襯底。半導(dǎo)體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件” 結(jié)構(gòu)。碳化硅在半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料。

　　碳化硅晶片是碳化硅晶體經(jīng)過(guò)切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。

　　碳化硅晶片作為半導(dǎo)體襯底材料，經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)、器件制造等環(huán)節(jié)，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。

　　根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導(dǎo)電型和半絕緣型。其中，導(dǎo)電型碳化硅晶片主要應(yīng)用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場(chǎng)規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于微波射頻器件等領(lǐng)域，隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的加速建設(shè)，市場(chǎng)需求提升較為明顯。

　　【碳化硅加工工藝研究】

　　SiC的硬度僅次于金剛石，可以作為砂輪等磨具的磨料，因此對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光，其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點(diǎn)，高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過(guò)程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層，且產(chǎn)生較為嚴(yán)重的表面與亞表層損傷，影響加工精度。因此，深入研究SiC磨削機(jī)理與亞表面損傷對(duì)于提高SiC磨削加工效率和表面質(zhì)量具有重要意義。

　　1、硬脆材料的研磨機(jī)理

　　對(duì)硬脆材料進(jìn)行研磨，磨料對(duì)其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時(shí)，隨著研磨加工的進(jìn)行，在研磨載荷的作用下，部分磨粒被壓入工件，并用露出的尖端劃刻工件的表面進(jìn)行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤(pán)之間進(jìn)行滾動(dòng)而產(chǎn)生滾軋作用，使工件的表面形成微裂紋，裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑，從而達(dá)到表面去除的目的。

　　因?yàn)橛泊嗖牧系目估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要小，對(duì)磨粒施加載荷時(shí)，會(huì)在硬脆材料表面的拉伸應(yīng)力的最大處產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋延伸且相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時(shí)的切屑生成和表面形成的基本過(guò)程。

　　由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料，需要采用專(zhuān)用的研磨液，碳化硅研磨的主要技術(shù)難點(diǎn)在于高硬度材料減薄厚度的精確測(cè)量及控制，磨削后晶圓表面出現(xiàn)損傷、微裂紋和殘余應(yīng)力，碳化硅晶圓減薄后會(huì)產(chǎn)生比碳化硅晶圓更大的翹曲現(xiàn)象。

　　2、碳化硅的拋光加工研究

　　目前碳化硅的拋光方法主要有：機(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、電化學(xué)拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學(xué)拋光（TCP，又稱(chēng)無(wú)磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。

　　化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級(jí)光滑最有效的工藝方法，是能在加工過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。

　　CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過(guò)研究工藝參數(shù)對(duì)SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。

　　目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問(wèn)題，且無(wú)磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復(fù)雜，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)可能性不大。

　　人類(lèi)1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來(lái)源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。

　　【碳化硅加工工藝流程】

　　碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT） 生長(zhǎng)碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。

　?、僭虾铣?。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2,000℃以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、清洗等工序，制得滿(mǎn)足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅微粉原料。

　　②晶體生長(zhǎng)。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長(zhǎng)爐，采用物理氣相傳輸法（PVT 法）生長(zhǎng)碳化硅晶體。其生長(zhǎng)原理如下圖所示：

　　將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長(zhǎng)爐內(nèi)圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過(guò)電磁感應(yīng)將坩堝加熱至 2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內(nèi)形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下到達(dá)溫度較低的籽晶處，并在其上結(jié)晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。

　?、劬уV加工。將制得的碳化硅晶錠使用 X 射線(xiàn)單晶定向儀進(jìn)行定向，之后磨平、滾磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體。

　?、芫w切割。使用多線(xiàn)切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過(guò) 1mm 的薄片。

　　⑤晶片研磨。通過(guò)不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

　?、蘧瑨伖?。通過(guò)機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法得到表面無(wú)損傷的碳化硅拋光片。

　?、呔瑱z測(cè)。使用光學(xué)顯微鏡、 X 射線(xiàn)衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測(cè)試儀、表面平整度測(cè)試儀、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)碳化硅晶片的微管密度、結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定晶片的質(zhì)量等級(jí)。

　?、嗑逑?。以清洗藥劑和純水對(duì)碳化硅拋光片進(jìn)行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過(guò)超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供下游即開(kāi)即用的碳化硅晶片。

　　晶片尺寸越大，對(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國(guó)際碳化硅晶片廠商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化硅晶片， CREE、 II-VI 等國(guó)際龍頭企業(yè)已開(kāi)始投資建設(shè) 8 英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線(xiàn)。

　　【碳化硅行業(yè)情況】

　　01、碳化硅（SiC）是高功率器件理想材料

　　硅是半導(dǎo)體行業(yè)第一代基礎(chǔ)材料，目前全球95%以上的集成電路元器件是以硅為襯底制造的。目前，隨著電動(dòng)汽車(chē)、5G等應(yīng)用的發(fā)展，高功率、耐高壓、高頻率器件需求快速增長(zhǎng)。

　　當(dāng)電壓大于900V，要實(shí)現(xiàn)更大功率時(shí)，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露出短板，其在轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)關(guān)頻率，工作溫度等多方面都將受限。而碳化硅（SiC）材料由于具有禁帶寬度大（Si的3倍）、熱導(dǎo)率高（Si的3.3倍或GaAs的10倍）、電子飽和遷移速率高（Si的2.5倍）和擊穿電場(chǎng)高（Si的10倍或GaAs的5倍）等性質(zhì)，SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率電子器件領(lǐng)域和航天、軍工、核能等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷，正逐漸成為功率半導(dǎo)體的主流。

　　碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。

　　02、SiC功率半導(dǎo)體器件優(yōu)勢(shì)

　　第三代半導(dǎo)體，由于在物理結(jié)構(gòu)上具有能級(jí)禁帶寬的特點(diǎn)，又稱(chēng)為寬禁帶半導(dǎo)體，主要是以氮化鎵和碳化硅為代表，其在半導(dǎo)體性能特征上與第一代的硅、第二代的砷化鎵有所區(qū)別，使得其能夠具備高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速率等優(yōu)勢(shì)，從而能夠開(kāi)發(fā)出更適應(yīng)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的小型化功率半導(dǎo)體器件，可有效突破傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體器件及其材料的物理極限。

　　資料來(lái)源：Semikron – Application Manual Power Semicondu整體來(lái)看，碳化硅的耐高壓能力是硅的10倍、耐高溫能力是硅的2倍、高頻能力是硅的2倍，與硅基模塊相比，碳化硅二極管及開(kāi)關(guān)管組成的模塊（全碳模塊），不僅具有碳化硅材料本征特性?xún)?yōu)勢(shì)，還可以縮小模塊體積50%以上、消減電子轉(zhuǎn)換損耗80%以上，從而降低綜合成本。

　　03、SiC器件的典型應(yīng)用

　　1. 5G基建——通信電源

　　通信電源是服務(wù)器、基站通訊的能源庫(kù)，為各種傳輸設(shè)備提供電能，保證通訊系統(tǒng)正常運(yùn)行。碳化硅MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高；碳化硅肖特基二極管反向恢復(fù)幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在3kW高效通信電源無(wú)橋交錯(cuò)PFC電路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二極管，可以幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)載效率大于等于95%的高技術(shù)要求。

　　2. 新能源汽車(chē)充電樁——充電樁電源模塊

　　新能源汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了充電柱的需求增長(zhǎng)，對(duì)新能源電動(dòng)汽車(chē)而言，提升充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標(biāo)。在充電樁電源模塊中使用碳化硅器件，可以實(shí)現(xiàn)充電樁電源模塊的高效化和高功率化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電速度的提升和充電成本的降低。

　　3. 大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——服務(wù)器電源

　　服務(wù)器電源是服務(wù)器能源庫(kù)，服務(wù)器提供電能，保證服務(wù)器系統(tǒng)正常運(yùn)行。在服務(wù)器電源中使用碳化硅功率器件，可以提升服務(wù)器電源的功率密度和效率，整體上縮小數(shù)據(jù)中心的體積，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)成本的降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)保效率。例如，在3kW服務(wù)器電源模塊中，在圖騰柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以顯著提升服務(wù)器電源的效率，實(shí)現(xiàn)更高的效率要求。

　　4.特高壓——應(yīng)用柔性輸電直流斷路器

　　特高壓作為大型系統(tǒng)工程，將催發(fā)從原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是輸電端特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)和變電端電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關(guān)鍵部分之一，其可靠性對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。使用傳統(tǒng)硅基器件設(shè)計(jì)直流斷路器需要多級(jí)子單元串聯(lián)，在直流斷路器中使用高電壓碳化硅器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，是行業(yè)研究的重點(diǎn)方向。

　　5. 城際高鐵和城際軌道交通——牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源未來(lái)軌道交通對(duì)電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)一步高效率化和小型化，在軌道交通方面具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。日本新干線(xiàn)N700S已經(jīng)率先在牽引變流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整車(chē)的重量，實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)載效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。

　　04、SiC器件市場(chǎng)未來(lái)將實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)

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

　　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(chǎng)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(dòng)車(chē)行業(yè)有望迎來(lái)快速爆發(fā)（CAGR81.4%），通信、光伏等市場(chǎng)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(shì)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(guó)家戰(zhàn)略層面，2025年目標(biāo)滲透率超過(guò)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(guó)制造中，分別對(duì)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(guó)產(chǎn)化率達(dá)到50%；在新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子中實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，在通用照明市場(chǎng)滲透率達(dá)到80%以上。

　　行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%~80%，碳化硅晶圓市場(chǎng)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(chǎng)擁有強(qiáng)大的話(huà)語(yǔ)權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)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(guò)程，包含SiC粉末合成、單晶生長(zhǎng)、晶片切磨拋、外延（鍍膜）、前道工藝（芯片制備）、后道封裝。

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

　　02、碳化硅全球競(jìng)爭(zhēng)格局

　　高技術(shù)門(mén)檻導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體材料市場(chǎng)以日美歐寡頭壟占，國(guó)內(nèi)企業(yè)在SiC襯底方面以4英寸為主。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)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(guó)內(nèi)目前已實(shí)現(xiàn)4英寸襯底的量產(chǎn)；同時(shí)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。

　　03、國(guó)內(nèi)碳化硅襯底競(jìng)爭(zhēng)對(duì)比

　　【碳化硅功率半導(dǎo)體存在的問(wèn)題】

　　盡管全球碳化硅器件市場(chǎng)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(wèn)題亟待突破，比如碳化硅單晶和外延材料價(jià)格居高不下、材料缺陷問(wèn)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(mǎn)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(chǎng)擴(kuò)大的步伐。

　　1、 碳化硅單晶材料

　　國(guó)際上碳化硅單晶材料領(lǐng)域存在的問(wèn)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(guó)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(mǎn)足要求，需要進(jìn)一步開(kāi)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(lái)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(wèn)題尚未得到突破，技術(shù)開(kāi)發(fā)滯后。

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

　　是本土碳化硅單晶企業(yè)無(wú)法為國(guó)內(nèi)已經(jīng)/即將投產(chǎn)的6英寸芯片工藝線(xiàn)提供高質(zhì)量的6英寸單晶襯底材料。

　　碳化硅材料的檢測(cè)設(shè)備完全被國(guó)外公司所壟斷。

　　2、 碳化硅外延材料

　　國(guó)際上碳化硅外延材料領(lǐng)域存在的問(wèn)題主要有：

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

　　近年來(lái)我國(guó)碳化硅外延材料技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展，申請(qǐng)了一系列的專(zhuān)利，正在縮小與其它國(guó)家的差距，已經(jīng)開(kāi)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(guó)際市場(chǎng)。

　　但是，以下兩個(gè)方面存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)：

　　目前國(guó)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(wú)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(guó)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(guó)際上碳化硅器件技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化水平發(fā)展迅速，開(kāi)始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場(chǎng)化進(jìn)程，但是碳化硅功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成，尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。國(guó)際碳化硅器件領(lǐng)域存在的問(wèn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)證方面，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法基本沿用硅器件，尚未有專(zhuān)門(mén)針對(duì)碳化硅功率器件特點(diǎn)的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，導(dǎo)致試驗(yàn)情況與實(shí)際使用的可靠性有差距。

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

　　除了以上共性問(wèn)題外，我國(guó)碳化硅功率器件領(lǐng)域發(fā)展還存在研發(fā)時(shí)間短，技術(shù)儲(chǔ)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(duì)的技術(shù)水平跟國(guó)外還有一定的差距等問(wèn)題，特別是在以下三個(gè)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(lài)國(guó)際代工企業(yè)來(lái)制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂(lè)觀。

　　碳化硅芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國(guó)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(zhǎng)設(shè)備等，國(guó)內(nèi)大規(guī)模建立碳化硅工藝線(xiàn)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(cè)設(shè)備被國(guó)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(xiàn)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(shì)，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(wèn)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(kāi)關(guān)速度高，因此在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)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(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗，無(wú)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(xiàn)、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(shì)，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(wèn)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(jià)格過(guò)高等因素，迄今為止，市場(chǎng)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(wèn)題有：

　　碳化硅功率器件的驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片具有工作溫度高、驅(qū)動(dòng)電流大和可靠性高的特點(diǎn)。目前驅(qū)動(dòng)芯片沿用硅器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尚不能滿(mǎn)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(kāi)關(guān)頻率快、短路時(shí)間短等特點(diǎn)，目前器件保護(hù)技術(shù)尚不能滿(mǎn)足需求。

　　碳化硅器件的電路應(yīng)用開(kāi)關(guān)模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開(kāi)關(guān)特性，尚不能對(duì)碳化硅器件的電路拓?fù)浞抡嬖O(shè)計(jì)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(wèn)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(méi)有開(kāi)發(fā)出完全發(fā)揮碳化硅功率器件優(yōu)勢(shì)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(gè)缺陷：

　　材料成本過(guò)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(jià)格達(dá)到硅器件的5-6倍。

　　高溫?fù)p耗過(guò)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(kāi)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(jì)，其可靠性和壽命均無(wú)法滿(mǎn)足其工作溫度的要求。

　　【技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)】

　　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(shì)突出、應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)滲透率仍低。究其原因，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(gè)環(huán)節(jié)（襯底制作，外延制作、芯片制程、封裝測(cè)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(lèi)硅產(chǎn)品的2-3倍、5-10倍，而下游客戶(hù)認(rèn)為大規(guī)模應(yīng)用碳化硅器件的普遍價(jià)格區(qū)間應(yīng)是同類(lèi)硅器件1.5倍左右。成本高企的主要因素是原材料價(jià)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(guó)外龍頭企業(yè)預(yù)計(jì)將在2022年左右開(kāi)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(shí)間不長(zhǎng)，有待更多應(yīng)用驗(yàn)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(lái)，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(gè)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)來(lái)看，功率器件種類(lèi)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(chǎng)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(chǎng)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(jì)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(jì)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(shì)。