SiC半導體產業發展趨勢
半導體材料作為電子信息技術發展的基礎，經歷了數代的更迭。隨著下游應用場景提出更高要求，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導體材料逐漸進入產業化加速放量階段。
SiC性能
碳化硅SiC具有200多種晶型，以其主流的4H-SiC為例，其禁帶寬度為3.2eV，飽和電子遷移率、擊穿電場強度以及熱導率均優于傳統的硅基半導體，具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優越性能，廣泛應用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件。
①耐高壓：擊穿電場強度大，是硅的10倍，用SiC制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導通損耗。
②耐高溫：半導體器件在較高的溫度下，會產生載流子的本征激發現象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。SiC的禁帶接近硅的3倍，可以保證器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過 300℃，而SiC器件的極限工作溫度可以達到 600℃以上。同時，SiC的熱導率比硅更高，有助于器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，SiC器件也因此對散熱的設計要求更低，有助于實現設備的小型化。
③高頻性能：SiC的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了SiC器件可以實現更高的工作頻率和更高的功率密度。
基于上述優良特性，SiC襯底的使用極限性能優于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求，已應用于射頻器件及功率器件，廣泛應用于新能源汽車、 光伏、工控、射頻通信等領域。
圖1：不同半導體材料性能對比
SiC產業鏈
SiC材料為襯底的產業鏈主要包括襯底材料的制備、外延層的生長、器件設計制造以及下游應用市場。目前，SiC行業中的企業形成兩種商業模式，第一種覆蓋完整產業鏈各環節，同時從事SiC襯底、外延、器件及模組的制作，例如Wolfspeed、Rohm以及國內的三安光電等；第二種則只從事產業鏈的單個環節或部分環節，如Ⅱ-Ⅵ僅從事襯底及外延的制備，英飛凌則只負責器件及模組的制造。當前，國內的SiC生產廠商大多屬于第二種商業模式，聚焦產業鏈部分環節。
圖2：SiC產業鏈
圖3：SiC產業鏈國內外公司布局
SiC襯底
SiC襯底是由高純硅粉、碳粉合成為SiC粉體后，通過晶體生長成為晶錠，之后加工得到標準直徑尺寸的SiC晶體，再經過切磨拋工藝獲得表面無損傷的SiC拋光片，最后對其進行檢測、清洗，交付下游外延廠商使用。
SiC 粉體可使用氣相法、液相法及固相法合成，目前產業中主要使用固相法中自蔓延高溫合成法，即將固態的 Si 源和C源作為原料，使其在 1400～2000℃的高溫下持續反應，最后得到高純 SiC 粉體。這種方法原料便宜，合成質量穩定，合成效率高。目前各家襯底廠商基本自產高純 SiC 粉末。
在SiC粉體的基礎上，進行SiC單晶的生長。SiC單晶主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學氣相沉積(HTCVD)法和液相外延法（LPE)法，目前 PVT 法由于設備易于制造、長晶過程更好控制以及成本較低等優點，是業內最成熟的工藝。其原理是通過將處于2000℃以上的 SiC 原料升華分解成氣相物質，然后輸運到溫度較低的籽晶處，從而結晶生成 SiC單晶。SiC晶體的生長環境復雜、工藝控制難度大，整體良率較低。據天岳先進招股書披露，公司晶棒環節整體良率在50%左右。
生長完成的 SiC 晶錠在經過初加工定型后，還需要經過切磨拋環節制成SiC拋光片。由于SiC的硬度極大，在對其進行切割時加工難度較高且磨損多。據天岳先進招股書披露，公司襯底生產環節整體良率在75%左右。
根據電導率的不同，SiC襯底可以分為導電型和半絕緣型：電阻率≥10^6Ω·cm為半絕緣型SiC襯底，電阻率區間為 15~30mΩ·cm的導電型SiC襯底。目前半絕緣型SiC襯底的國產化率較高，天岳先進在全球半絕緣型SiC襯底的市占率在30%以上，和II-IV、Wolfspeed等相當。導電型SiC襯底的國產化成為當前焦點：導電型襯底對應下游新能源車、光伏等高成長性市場，國內廠商如天科合達具有一定的收入規模，但占比較小。
圖4：碳化硅襯底制備流程
SiC外延
外延可分為同質外延和異質外延，為了滿足 SiC 器件在不同應用領域對電阻等參數的特定要求，必須在襯底上進行滿足條件的外延后才可制作器件，因此外延質量的好壞將會影響器件的性能。
目前外延方式主要有兩種：一種是在導電型SiC襯底上外延SiC薄膜的同質外延，主要用于MOSFET、IGBT等高壓功率半導體領域，另一種是在半絕緣型SiC襯底上生長GaN 薄膜的異質外延，用于GaN HEMT等中低壓功率半導體、射頻器件以及光電器件等。
外延工藝主要包括升華或物理氣相傳輸法PVT、分子束外延MBE、液相外延LPE以及化學氣相外延CVD。CVD是當前主流的SiC同質外延生產方式：采用 H2 作為載氣，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作為Si源與C源，在淀積室發生化學反應后生成 SiC分子并沉積在碳化硅襯底上。
SiC外延的關鍵參數包括厚度以及摻雜濃度均勻性。隨著下游器件應用場景中電壓的增加，外延層厚度逐步增加，摻雜濃度降低。國內SiC外延技術在中低壓領域可以做到較好的性能水平，但是在高壓領域仍相對落后。以龍頭Wolfspeed為例，其N型和P型的外延厚度均可做到200μm以上，而國內外延廠商如瀚天天成、東莞天域等還處于30-40μm水平。
另外，外延設備也是限制SiC產能建設的一方面。外延生長設備目前被意大利的 LPE 公司、德國 AIXTRON 公司以及日本 Nuflare 和 TEL 公司所壟斷，主流 SiC 高溫外延設備交付周期已拉長至 1.5-2 年左右。國內晶盛機電，北方華創等企業開始小批量生產碳化硅外延設備。
晶圓制造
SiC晶圓制造工藝與硅基半導體制造工藝基本一致，主要包括光刻、薄膜沉積、熱處理、清洗等環節。然而由于SiC獨特的材料特性，需要特定的設備進行特定的工藝開發。
（1）在摻雜工藝中，傳統硅基材料可以用擴散的方式完成摻雜，但由于SiC擴散溫度遠高于硅，無法使用擴散工藝，只能采用高溫離子注入的方式；是否具備高溫離子注入機，是衡量SiC生產線的重要標準之一。
（2）高溫離子注入后，材料原本的晶格結構被破壞，需要用高溫退火工藝進行修復。SiC退火溫度高達 1600℃，這對設備和工藝控制都帶來了極大的挑戰。
（3）SiC器件工作溫度可達 600℃以上，組成模塊的其他材料，如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與硅基器件通用；
（4）器件的引出電極材料也需要同時保證耐高溫和低接觸電阻，大部分材料難以同時滿足兩條要求。
圖5：碳化硅晶圓所需特定設備
發展趨勢
綜合來看，我國SiC半導體產業發展趨勢可以總結為以下三點：
（1） 成本優勢驅動襯底大尺寸化發展：襯底直徑為衡量晶體制備水平重要指標之一，目前導電型碳化硅襯底以6英寸為主，8英寸襯底開始發展，而半絕緣碳化硅襯底以4英寸為主，逐漸向6英寸、8英寸方向發展。單片襯底制備芯片數量隨襯底尺寸增大而增多，同時邊緣芯片占比也顯著改善。從6寸到8寸，SiC器件成本降低20-35%，可以多切近90%數量芯片，邊緣浪費降低7%。行業龍頭Wolfspeed已經成功研發8英寸產品。
（2） 一體化趨勢：在SiC領域，IDM模式優勢明顯，國內外有實力公司均在企業完善襯底、外延及器件全產業鏈布局。國外廠商方面，意法半導體于2019年 12 月收購瑞典 Norstel，開始布局 SiC 襯底及外延；II-VI 公司在2020年收購Ascatron、INNOViON以及 GE 的 SiC IP 授權，進一步垂直整合SiC業務。國內廠商三安光電宣布投資160億元建設湖南三安半導體項目，將打造國內首條、全球第三條碳化硅垂直整合產業鏈。同時，碳化硅襯底、器件廠商往往與汽車等設備制造商簽訂長期合作協議，加強產業鏈上下游協同。
（3）國產化替代趨勢：SiC未來市場主要是由其在新能源汽車和光伏等領域的需求在推動。我國在新能源汽車和光伏領域的生產制造均處于國際領先地位，大部分原材料也實現了國產化，所以SiC就成了問題所在。在有了之前硅基先進制程芯片被卡脖子的教訓之后，相信在SiC領域會積極建設國內產業鏈。目前SiC產業的國產化主要存在兩個焦點：1是導電型襯底的突破及市場提升，對應下游新能源車、光伏的市場需求；2是相關設備國產化，包括單晶爐設備、外延設備以及相應的制程設備等。
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