01

晶體生長技術

碳化硅晶體生長方法主要有物理氣相傳輸法(physical vapor transport method，PVT法)、高溫化學氣相沉積(CVD)和液相法(LPE法)等。目前我國碳化硅晶體生長大規模產業化的方式主要是物理氣相傳輸法，其以中頻感應線圈為加熱電源，在渦流作用下高密度石墨發熱體將被加熱。將碳化硅粉體填滿石墨坩堝的底部，碳化硅籽晶粘結在距原料面有一定距離的石墨坩堝蓋內部，然后將石墨坩堝整體置于石墨發熱體中，通過調節外部石墨氈的溫度，使碳化硅的原料置于高溫區，而碳化硅籽晶相應的處于低溫區。在超過2000℃高溫下，碳化硅原料分解成升華的硅原子、SiC2分子以及Si2C分子等氣相物質，氣象物質在溫度梯度的驅動下向低溫區輸送，在碳化硅籽晶的C面上形核成晶，進而生長成碳化硅晶體。為了提高碳化硅原料的利用率，使處于石墨坩堝最底部的原料能夠順利輸送上去，在生長過程中原料將緩慢上移。

02

晶片加工技術

碳化硅單晶切片技術，傳統的鋸切工具如內圓鋸片、金剛石帶鋸，轉彎半徑受限，切縫較寬，出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。目前我國的碳化硅切片加工技術主要包括固結、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，不同技術對應的性能指標，其中往復式金剛石固結磨料多線切割是最常應用于加工碳化硅單晶的方法。

碳化硅晶片薄化技術，碳化硅斷裂韌性較低，在薄化過程中易開裂，導致碳化硅晶片的減薄非常困難。碳化硅切片的薄化主要通過磨削與研磨實現。晶片磨削最具代表性的形式是自旋轉磨削，晶片自旋轉的同時，主軸機構帶動砂輪旋轉，同時砂輪向下進給，進而實現減薄過程。自旋轉磨削雖然可以有效提高加工效率，但砂輪易隨加工時間增加而鈍化，使用壽命短且晶片易產生表面與亞表面損傷。加工缺陷的存在嚴重制約加工精度和效率，為了解決這些問題，研究人員開發出了不同的輔助技術，如砂輪在線修整，或研制新型軟磨料砂輪，目前主要的技術包括超聲振動輔助磨削和在線電解修整輔助磨削。

碳化硅晶片拋光技術，碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機械拋光的關鍵在于優化工藝參數，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。目前，關于碳化硅晶片雙面拋光的成品較少，相關工藝參數有待進一步優化。精拋為單面拋光，化學機械拋光是應用最為廣泛的拋光技術，通過化學腐蝕和機械磨損協同作用，實現材料表面去除及平坦化。晶片在拋光液的作用下發生氧化反應，生成的軟化層在磨粒機械作用下相對容易被除去。作為單晶襯底加工的最后一道工藝，化學機械拋光是實現碳化硅襯底全局平坦化的常用方法，也是保證被加工表面實現超光滑、無缺陷損傷的關鍵工藝。

（碳化硅晶片精拋工藝對比）

PART2

產業布局

01

國際碳化硅晶片產業布局

國際龍頭正完善產業鏈布局，強化競爭優勢。國際企業上下游延伸及全產業鏈布局趨勢日益明顯，科銳北卡羅來納州總部建設超級材料工廠(8英寸碳化硅襯底)，在紐約州建設8英寸碳化硅電力電子和GaN射頻產線;羅姆2018年筑后工廠新建6英寸碳化硅晶圓產線，2020年投產，產能約15萬片/年;貳陸收購AscatronAB和INNOVION建立碳化硅垂直集成平臺，同時計劃建立射頻GaN-on-SiC技術平臺:意法半導體收購Norstel，上游延伸至碳化硅襯底。

除了在供給端不斷整合，各廠商也積極與下游廠商合作，綁定需求以搶占市場份額。終端應用企業與中游器件企業合作趨勢明顯，以汽車集團牽頭的車用半導體推進迅猛，第三代半導體正式進入汽車供應鏈。科銳分別與英飛凌、意法半導體、安森美等中游企業簽訂長期供貨協議，保證碳化硅襯底供給；特斯拉在model3電機控制器的逆變器中采用了意法半導體的碳化硅功率器件；德國大陸集團子公司Vitesco ?Technologies將為現代汽車提供800V碳化硅逆變器；科銳和英飛凌分別與大眾汽車合作，成為其FAST項目碳化硅合作伙伴。

02

國內碳化硅晶片產業布局

2012-2019年我國布局26個碳化硅晶片項目，投資金額超120億；2020年布局32個碳化硅晶片項目，投資金額超560億元；2021年一季度新增12個碳化硅晶片項目投資金額超630億元。在第三代半導體產業中，中國企業與海外龍頭的差距已經明顯縮小，發達國家可以用來制裁和控制中國第三代半導體發展的手段和技術也十分有限，中國企業正迎來追趕和發展的良機。

天科合達在北京建立生產基地，作為國內成立時間最早、規模最大的碳化硅晶片生產企業，天科合達依托于中國科學院物理所多年在碳化硅晶片領域的研究成果，集技術、管理、市場和資金優勢，在國內首次建立了完整的碳化硅晶片生產線，打破了國外長期的技術封鎖和壟斷，推動了我國寬禁帶半導體產業的發展。2020年8 月17日，北京天科合達第三代半導體碳化硅襯底產業化基地建設開工儀式在黃村鎮大興新城東南工業園區隆重舉行。

三安光電已宣布總投資160億元，將打造國內首條、全球第三條SiC垂直整合產業鏈，覆蓋襯底、外延和器件三大環節。這種模式目前僅科銳和羅姆兩大公司采用，其他國際巨頭們也正在通過投資并購等方式實現全產業鏈布局。

露笑科技計劃總投資100億布局SiC產業項目，目前已經開啟6英寸導電性SiC襯底小批量試生產；光伏晶體設備生產商晶盛機電也宣布31.34億元投資SiC晶片生產基地項目，設計產能年產40萬片6英寸及以上尺寸的導電型和半絕緣型SiC襯底晶片。

國內其他公司例如華潤微、比亞迪等均在布局碳化硅晶片產業鏈。

PART3

應用場景

01

5G通信領域

微波射頻器件是實現信號發送和接收的基礎部件，是無線通訊的核心，主要包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等器件，其中，功率放大器是放大射頻信號的器件，直接決定移動終端和基站的無線通信距離、信號質量等關鍵參數。5G通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅晶片的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。

（不同材料微波射頻器件的應用范圍對比）

02

新能源汽車領域

新能源汽車行業是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內新能源車的普及趨勢逐步清晰化。根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括：電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載DC/DC）和非車載充電樁。碳化硅功率器件應用于電機驅動系統中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提高功率密度。美國特斯拉公司的Model3車型采用以24個碳化硅MOSFET為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率器件的汽車廠商；碳化硅器件應用于車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率，目前全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件應用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。

03

光伏發電領域

在光伏發電應用中，基于硅基器件的傳統逆變器成本約占系統10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。使用碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發展趨勢。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅晶片產品預計會逐漸替代硅基器件。

（光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預測）

審核編輯：黃飛

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