不同于第一代半导体材料硅基的发展在国内正面临一系列掣肘，作为化合物半导体材料的碳化硅器件正逐渐迎来商用加速期。

目前国内在碳化硅功率器件和衬底市场依然有较大发展空间。据调研机构Yole统计，无论是碳化硅器件销售额，还是碳化硅导电型衬底市场视角来看，占据主要份额的都为来自美国、欧洲和日本的公司，部分情况下甚至有垄断态势。

1、碳化硅在“新基建”领域的典型应用

碳化硅属于第三代半导体材料之一，具备大功率、低损耗、高可靠、低散热等特点，可应用于 1200 伏特以上的高压、严苛环境，可广泛应用于风电、铁路等大型交通工具，及太阳能逆变器、不断电系统、智慧电网、电源供应器等高功率应用领域。碳化硅应用涵盖了新基建涉及的绝大部分领域，这给国内的碳化硅企业带来巨大利好。

5G基建——通信电源

通信电源是服务器、基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行。碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。

新能源汽车充电桩——充电桩电源模块

新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长，对新能源电动汽车而言，提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。在充电桩电源模块中使用碳化硅器件，可以实现充电桩电源模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。

大数据中心、工业互联网——服务器电源

服务器电源是服务器能源库，服务器提供电能，保证服务器系统正常运行。在服务器电源中使用碳化硅功率器件，可以提升服务器电源的功率密度和效率，整体上缩小数据中心的体积，实现数据中心整体建设成本的降低，同时实现更高的环保效率。

碳化硅MOSFET具有高频特性，可使电源电路的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零，可运用于各种PFC电路。例如，在3kW服务器电源模块中，在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显著提升服务器电源的效率，实现更高的效率要求。

特高压——应用柔性输电直流断路器

特高压作为大型系统工程，将催发从原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器（PET）的关键器件。直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。

由于直流断路器整体电压高，受限硅器件目前电压等级，使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联，在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量，是行业研究的重点方向。未来高电压碳化硅功率器件成熟稳定后，在直流断路器中具有广阔的应用前景。

城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源

轨道交通行业也是碳化硅功率器件主要指标应用行业之一。未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压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这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。

目前，受限于碳化硅功率器件的电流容量，碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化，在轨道交通方面具有巨大的技术优势。日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整车的重量，实现更高的运载效率和降低运营成本。

2、巨头抢滩8英寸碳化硅

碳化硅8英寸衬底的第一个技术难点是籽晶，籽晶虽然可以用激光切割然后拼接的方法来制作籽晶，但拼接位置的缺陷是几乎难以去除，可以做晶体生长基础研究，量产就不行了。量产用的籽晶还是需要慢慢的扩出来，在扩的过程保留品质好的晶体进行优选繁衍，这个过程是非常耗时的，没有好的籽晶就不可能繁衍出好的晶体，就如同没有好的种子，是不会长出好的庄稼一样。通常每次扩径几个毫米，从6英寸扩到8英寸扩径时间甚至按年为单位。

从目前全球市场情况来看，目前SiC半导体市场主要由Wolfspeed、英飞凌、罗姆半导体旗下SiCrystal、II——IV、新日铁住金及道康宁等国外厂商占据着。同时，根据市场的公开资料显示，这些厂商在进入6英寸生产后，在近两年来，其中一部分厂商又对其6英寸产线进行了扩产，并在积极推动SiC向8英寸发展。

在国际知名大厂中，据“三代半风向”统计，目前有7家企业能够生产8英寸SiC晶圆衬底，包括英飞凌、Wolfspeed、罗姆、II-VI、Soitec，意法半导体以及中国的烁科晶体。

2015年，Wolfspeed和罗姆都展示了8英寸SIC衬底。2019年5月，Wolfspeed宣布投入10亿美元（约64.6亿人民币）建设新工厂，将于2024年量产8英寸碳化硅等产品。

2015年7月，II-VI也展示了8英寸导电型SiC衬底，2019年又推出了半绝缘8英寸SiC衬底。2021年4月，II-VI表示，未来5年内，将SiC衬底的生产能力提高5至10倍，其中包括量产直径200mm（8英寸）的衬底。

2020年9月24日，英飞凌表示200mmSiC晶圆生产线已经建成。

2021年，Soitec宣布计划在五年内投资11亿欧元（87.57亿人民币），将其年产能翻一番，达到400万片晶圆。同时，还将新建2家工厂，其中一家工厂将生产6英寸和8英寸SiC晶圆，该厂计划在2023/2024财年投入使用。

意法半导体在碳化硅晶圆的研发上已经投入了25年之久，拥有70多项专利，2019年还收购了Norstel，并改名为意法半导体碳化硅公司，获得了碳化硅硅锭生长技术开发方面的技术积累。2021年，意法半导体在一次会议发布了消息——他们最近已经量产了8英寸SiC晶圆。

2020年10月，据山西日报报道，山西烁科晶体公司完全掌握4-6英寸衬底片“切、磨、抛”工艺，同时8英寸衬底片已经研发成功。2022年1月，烁科晶体实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产，向8英寸国产N型碳化硅抛光片的批量化生产迈出关键一步。

SiC的研究一度被搁浅

相比于第一代和第二代半导体材料，SiC具有一系列优良的物理化学特性，除了禁带宽度，还具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度和高迁移率等特点。SiC的临界击穿电场是Si的10倍，GaAs的5倍，这提高了SiC基器件的耐压容量、工作频率和电流密度，降低了器件的导通损耗。加上比Cu还高的热导率，器件使用时无需额外散热装置，减小了整机体积。这些均是SiC材料的极大优势。

此外，SiC器件具有极低的导通损耗，而且在超高频率时，可以维持很好的电气性能。例如从基于Si器件的三电平方案改为基于SiC的两电平方案，效率可以从96%提高到97.6%，功耗降低可达40%。因此SiC器件在低功耗、小型化和高频的应用场景中具有极大的优势。

3、做一片八英寸SiC晶圆难在哪？

进入八英寸，每片晶圆中理论上可用的裸片数量（GDPW，又称PDPW）大大增加。Wolfspeed方面在去年十月底的财报说明上也表示，单从晶圆加工成本来看，从六英寸升级到八英寸，成本是增加的，但是八英寸晶圆得到的优良die数量增加了20-30%，产量更高，所以芯片成本更低。

SiC器件成本高的一大原因就是SiC衬底制造困难。数据显示，衬底成本大约占晶片加工总成本的50%，外延片占25%，器件晶圆制造环节20%，封装测试环节5%。SiC衬底成本高昂，生产工艺还复杂，与硅相比，SiC很难处理。

“在功率半导体制造的离子注入、薄膜沉积、介质刻蚀、金属化等环节，8英寸碳化硅与6英寸SiC的差距不大。”深圳基本半导体有限公司总经理和巍巍博士指出：“8英寸SiC的制造难点主要集中在衬底生长、衬底切割加工、氧化工艺。

1）在单晶生长方面

与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，目前规模化生长SiC单晶主要采用物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法。这也就带来了SiC晶体制备的两个难点：

生长条件苛刻，需要在高温下进行。一般而言，SiC气相生长温度在2300℃以上，压力350MPa，而硅仅需1600℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。

生长速度慢。PVT法生长SiC的速度缓慢，7天才能生长2cm左右。而硅棒拉晶2-3天即可拉出约2m长的8英寸硅棒。

还有一个令人头疼的问题，SiC存在200多种晶体结构类型，其中六方结构的4H型(4H-SiC)等少数几种晶体结构的单晶型SiC才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格。

2）在晶圆加工方面

SiC是世界上硬度排名第三的物质，不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层，且产生较为严重的表面与亚表层损伤，影响加工精度。所以在研磨、锯切和抛光阶段，挑战也非常大，其加工难主要体现在：

(1)硬度大，莫氏硬度分布在9.2——9.6；

(2)化学稳定性高，几乎不与任何强酸或强碱发生反应；

(3)加工设备尚不成熟。

一句话就是——SiC衬底的划切非常棘手，并且晶圆尺寸越大越棘手。

此外，在氧化工艺方面，氧化工艺一直是碳化硅工艺中的核心难点，8英寸、6英寸对气流和温场的控制有不同需求，工艺需各自独立开发。

4、国内状况

就国内8英寸SiC产线的发展进程上看，国内已有一些公司和单位取得了量产突破或作为预研项目进行立项。这其中就包括：中电科半导体持股的山西烁科晶体公司8英寸衬底片已经研发成功，并小批量生产；天科合达在2020年也启动了8英寸SiC晶片的研发。

外延方面，4月13日，松山湖管委会官网公布了《东莞市生态园2022年度土地征收成片开发方案》征求意见稿。拟征收地块面积6.316公顷，合计94.7亩，后续将用于保障东莞市天域半导体科技有限公司半导体项目的落地。项目主要内容为新增产能达100万片/年的6英寸/8英寸碳化硅外延晶片生产线；8英寸碳化硅外延晶片产业化关键技术的研发；6英寸/8英寸碳化硅外延晶片的生产和销售。

在国内与8英寸SiC产业链相关的设备和材料方面，2020年11月合肥露笑科技投资100亿元建设的SIC设备制造、长晶生产、衬底加工、外延制作等产业链的研发和生产基地开工，按照他们的计划，将在第二期、第三期分别达成年产10万片8英寸衬底片（二期）、年产10万片8英寸外延片和年产15万片8英寸衬底片（三期）的建设。

“新基建”的部署，正推动以碳化硅为代表的第三代半导体产业迎来发展红利。基本半导体自主研发的全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、首款国产通过工业级可靠性测试的1200V碳化硅MOSFET，以及车规级全碳化硅功率模块等系列产品，可为5G基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心和工业互联网的新基建项目提供稳定可靠的电力电子解决方案。

作为中国碳化硅功率器件领军企业，以及5G产业技术联盟理事单位，基本半导体掌握行业领先的碳化硅核心技术，研发覆盖材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等产业全链条。通过前瞻布局新技术新产业，基本半导体正以排头兵之势，积极投身中国“新基建”事业，为“中国智造”高质量发展保驾护航。

来源：中国粉体网，芯榜，宽禁带半导体