碳化硅器件步入發展“快車道”，碳化硅襯底龍頭企業最新進展到哪了？

電子發燒友原創 章鷹

2023年，車規級碳化硅器件進入供不應求的階段。當前碳化硅市場處于結構性缺貨中，車規級產品持續短缺，光伏、儲能需求也在增長。據博世中國執行副總裁徐大全表示，由于新能源汽車快速發展，碳化硅芯片在未來2至3年都將呈現供不應求的態勢。DIGITIMES Research預測，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，英飛凌與國內碳化硅公司天科合達、天岳先進簽訂長期協議，以獲取高質量且具有競爭力的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：天域半導體8英寸SiC襯底

國內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？國內碳化硅襯底進展如何？目前國內SiC襯底企業與國際SiC襯底企業對比，有哪些優劣勢？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體，相對于硅有特定的優勢。碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有使用硅基功率器件的能源轉換效率，對高效能源轉換領域產生重大而深遠的影響，主要應用領域有電動車、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網等。

碳化硅導熱系數是硅基的三倍，這令碳化硅器件的散熱性能突出，對冷卻系統的需求低，令整個系統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，導通電阻大大降低?；谔蓟鑳灝惖奈锢硖匦?，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：中電科半導體材料公司總經理助理馬康夫

5月17日，在深圳半導體展上，來自中電科半導體材料公司總經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用，根據Yole報告，隨著通信基礎建設和軍事應用的需求發展，全球碳化硅基氮化鎵射頻器件市場規模持續增長，預計從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增長。

一種是導電型碳化硅器件，碳化硅功率器件具備高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢，將極大地提高現有使用硅基功率器件的能源轉換效率，對高效能源轉換領域產生重大而深遠的影響，主要應用領域有電動車、充電樁、光伏新能源、軌道交通和智能電網等。根據Yole報告，2021年碳化硅功率器件的市場規模為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動，預計2027年將增長至63億美元，復合增長率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：首先碳化硅的供應量是否能跟上需求增長；其次碳化硅成本相對比較高。業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展是必然的。晶圓尺寸更大，單片晶圓可以生產的器件數量就更多，帶來器件級別成本的降低。從數量上看，根據 Wolfspeed 數據，從 6 英寸切換為 8英寸，碳化硅芯片數量有望從448 顆大幅增加至845顆。從成本上看，根據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%。

國產碳化硅產業鏈和最新碳化硅襯底行業進展

中國第三代半導體產業技術創新聯盟副秘書長趙靜表示，2022年受到疫情影響，半導體進入下行周期。但是在新能源汽車、光伏、儲能應用的需求增長下，第三代半導體的市場增長超預期。據CASA Research預測，到2026年，中國SiC、GaN功率器件的市場規模將達到366億元，年復合增長率達到36.5%。

國外碳化硅產業起步比較早，在下游應用推動下，碳化硅領域龍頭企業掌握從襯底-外延-器件等碳化硅全產業鏈核心技術，長期霸占全球碳化硅器件市場。根據 Yole 數據，2022 年全球碳化硅器件市場營收規模較 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 Yole 數據，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，處于國內領先水平。國內在碳化硅襯底領域起步晚，經過十多年的發展，已經涌現了天科合達、天岳先進、三安光電等企業；二極管/晶體管設計及模塊封裝、系統集成等有中芯國際、比亞迪半導體等，累計超過 50 家企業從事碳化硅相關業務。

據不完全統計，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，但是現在有效產能非常有限。實現SiC襯底產業化的公司包括：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、河北同光半導體股份有限公司。

目前，碳化硅6英寸襯底技術成熟，預期產量的增加勢必在未來帶來競爭加劇，因此海內外碳化硅襯底企業將8英寸晶圓開發提上日程，國內碳化硅企業也是進展迅速。

第三代半導體產業技術創新聯盟的數據顯示，7家產業公司在SiC襯底領域有新進展。

去年3月，山西爍科晶體宣布，1月實現8英寸N型SiC拋光片的小批量生產。

2022年8月，晶盛機電研發出8英寸N型SiC晶體。

2022年9月，天岳先進8英寸SiC研發成功，在籽晶生長、粉料合成、熱場設計、工藝固化、過程控制、加工檢測等全流程實現技術自主可控，將投資1億元推進量產化。

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，同光股份宣布已經成功做出了8英寸SiC襯底樣片。

天科合達在2022年11月也發布了8英寸導電型SiC襯底，小規模量產的時間定在2023年。

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

中電科半導體材料公司總經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鍵技術，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，各項指標逐步優化，6英寸N型襯底已通過部分下游客戶MOS產品驗證。 2023年的產品、技術規劃大體有以下兩大方面：1、穩定6英寸N型襯底生產工藝的同時，優化改進生長加工工藝，提升良率，提升產品的一致性及穩定性；2、降低生產成本，從生產制造的各個環節進行“瘦身”，在保證產品質量的同時，進一步提升產品競爭力。

馬康夫對碳化硅襯底產業未來發展進行了展望，他認為機遇和挑戰并行，碳化硅襯底產業有三大機遇：1、碳化硅襯底行業國內外差距較??；2、建廠投資少，襯底新玩家眾多；3、產業進一步細分。挑戰在于兩點：1、技術壁壘相對較高，時間積累，團隊支撐；2、導入窗口期有限。他給出行業的建議：1、加速提升產業化管理水平及規模；2、加強產業鏈上下游的協同合作；3、加速推動國產原材料替代進程。