華為4月成立的哈勃科技投資有限公司，近日投資了山東天岳先進材料科技有限公司，持股10%。山東天岳是我國第三代半導體材料碳化硅龍頭企業。“得碳化硅者得天下”！有業內人士稱。

此前，不少國際公司都在碳化硅領域進行投資。例如，英飛凌1.39億美元收購了初創企業Siltectra，進一步進軍碳化硅市場，另外，X-Fab、三菱、意法半導體等企業也宣布將開發更多的碳化硅功率器件。

有數據顯示，2017年，中國GaN和SiC器件市場規模已達30.8億元。作為第三代半導體材料中的代表，近年來GaN和SiC在5G通信技術、新能源汽車以及光電應用等推動之下，始終保持著市場的快速增長。

其中，碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物，目前已發現的碳化硅同質異型晶體結構有200多種，其中六方結構的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優勢，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導體器件的優良半導體材料，也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟的第三代半導體材料，與硅材料的物理性能對比，主要特性包括：（1）臨界擊穿電場強度是硅材料近10倍；（2）熱導率高，超過硅材料的3倍；（3）飽和電子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗輻照和化學穩定性好；（5）與硅材料一樣，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層。

碳化硅功率半導體器件為更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的下一代電力電子技術的進步提供了機遇，在智能電網、軌道交通、電動汽車、新能源并網、開關電源、工業電機以及家用電器等領域具有重大的應用前景和產業價值。

碳化硅功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。其中，單晶材料是碳化硅功率半導體技術和產業的基礎，主要技術指標有單晶直徑、微管密度、單晶電阻率、表面粗糙度、翹曲度等；外延材料是實現器件制造的關鍵，主要技術指標有外延片直徑、外延層厚度、外延層摻雜濃度和表面缺陷密度等；器件是整個產業鏈的核心，主要技術指標有阻斷電壓、單芯片導通電流/電阻、阻斷狀態的漏電流、工作溫度等；模塊是實現器件應用的橋梁，主要技術指標有模塊容量、熱阻、寄生參數和驅動保護等；應用是碳化硅功率半導體器件和產業發展的源動力，主要技術指標是開關頻率、轉換效率和功率密度等。

來源：材料深一度

碳化硅單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術發展首要解決的問題，持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點發展方向。2010年，美國Cree公司發布6英寸碳化硅單晶襯底樣品，并于2015年開始批量供貨；2015年，美國Cree、II-Ⅵ公司推出了8英寸碳化硅單晶襯底材料樣品。

導通型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材。根據Yolo公司統計，2017年4英寸碳化硅晶圓市場接近10萬片；6英寸碳化硅晶圓供貨約1.5萬片；預計到2020年，4英寸碳化硅晶圓的市場需求保持在10萬片左右，單價將降低25 %；6英寸碳化硅晶圓的市場需求將超過8萬片。預計2020~2025年，4英寸碳化硅晶圓的單價每年下降10 %左右，市場規模逐步從10萬片市場減少到8萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長到20萬片；2025~2030年，4英寸晶圓逐漸退出市場，6英寸晶圓將增長至40萬片。

半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，因此在5G通訊和新一代智能互聯，傳感感應器件上具備廣闊的應用空間。當前主流半絕緣襯底的產品以4英寸為主。2017年，全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預計到2020年，4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片，而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升至4~5萬片；2025~2030年，4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而6英寸晶圓將增長至20萬片。

國際上碳化硅單晶襯底材料的產業化公司主要有美國科銳（Cree）、II-VI、道康寧（Dow Corning），德國SiCrystal（被日本羅姆Rohm收購）等公司，其碳化硅單晶產品覆蓋4英寸和6英寸。

國內主要碳化硅單晶襯底材料企業和研發機構已經具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產品，并已經研發出了6英寸單晶樣品，但是在晶體材料質量和產業化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。據CASA數據，山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。

與傳統硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術是化學氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實現一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發展。近年來，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經消除，掉落物、三角形、胡蘿卜、螺位錯、基平面位錯、深能級缺陷等成為影響器件性能的主要因素。隨著外延生長技術的進步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發展到目前的幾十μm、上百μm。

由于碳化硅器件必須制作在外延材料上，所以基本上所有碳化硅單晶材料都將作為襯底材料用來生長外延材料。國際上碳化硅外延材料技術發展迅速，最高外延厚度達到250μm以上。其中，20μm及以下的外延技術成熟度較高，表面缺陷密度已經降低到1個/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉化率接近100 %，已經基本達到碳化硅器件規�；�生產對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產業化進度緩慢。

目前批量碳化硅外延材料的產業化公司有美國的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。我國碳化硅外延材料的研發和產業化水平緊緊跟隨國際水平，產品已打入國際市場。

外延片方面，國內瀚天天成、東莞天域半導體、國民技術子公司國民天成均可供應4-6英寸外延片，中電科13所、55所亦均有內部供應的外延片生產部門。

在產業化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產品水平接近國際先進水平；在研發方面，我國開發了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進水平有一定的差距。同時，由于國內碳化硅芯片制造能力薄弱，對碳化硅單晶和材料的需求較低，尚不足以完全支撐和拉動我國碳化硅單晶襯底和外延材料產業的發展。

碳化硅功率半導體器件包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等。

2001年，德國英飛凌（Infineon）公司最先發布碳化硅肖特基功率二極管產品，同年美國Cree公司也實現了碳化硅肖特基功率二極管的產業化。由于碳化硅晶體管的技術難度大，產業化進度落后于二極管。2010年，日本Rohm公司首先量產SiC MOSFET產品，2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產品。SiC IGBT和GTO等器件由于技術難度更大，仍處于研發階段，距離產業化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優越，成為目前應用最廣泛、產業化成熟度最高的碳化硅功率器件。

隨著國際上碳化硅功率器件技術的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產業化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市場的發展趨勢。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiC JBS和MOSFET）的市場接近17億元人民幣。Yole公司預測，2017~2020年，碳化硅器件的復合年均增長率超過28 %，到2020年市場規模達到35億元人民幣，并以超過40 %的復合年均增長率繼續快速增長。預計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規模將超過150億元人民幣，到2030年，全球碳化硅功率器件市場規模將超過500億元人民幣。國內碳化硅器件的市場約占國際市場的40 %~50 %。

目前，國際上主要的碳化硅功率器件產業化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %，另外，美國通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發了碳化硅功率器件產品。在SiC二極管產品方面，美國Wolfspeed（包括Cree）、德國Infineon公司已經推出了五代 SiC JBS產品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370 μm減薄至180 μm，進一步提高了器件的性能。Rohm公司開發了三代SiC二極管，最新產品也采用了溝槽型結構。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產品為主，從第五代開始推出1200 V產品，即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產品。在MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產品，電流從1 A～50 A不等；2017年3月，美國Wolfspeed公司發布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片，是目前單芯片電流容量最大的SiC MOSFET產品；Rohm公司的SiC MOSFET產品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級有650 V和1200 V；意法半導體開發了650 V和1200 V兩個電壓等級的SiC MOSFET產品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產品。另外，GeneSiC公司開發了1200 V和1700 V的 SiC BJT產品，Infineon和USCi公司開發了1200 V的SiC JFET產品。在研發領域，國際上已經開發了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品，以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設計技術、芯片制造工藝、器件封裝驅動技術以及市場需求的制約，以上高壓器件短期內無法實現產業化。

“十三五”期間，我國掀起了第三代功率半導體材料和器件產業化的浪潮。當前，我國的碳化硅功率器件產品以二極管產品為主，若干單位具備開發晶體管產品的能力，尚未實現產業化。在國家科技項目和各級政府的支持下，目前國內有多家企業建成或正在建設多條碳化硅芯片工藝線，這些工藝線的投產，將會大大提升國內碳化硅功率器件的產業化水平。

為了進一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進行并聯集成封裝。

碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產品發展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產品最高電壓等級3300 V，最大電流700 A，最高工作溫度175 ℃。在研發領域，全碳化硅功率模塊最大電流容量達到1200 A，最高工作溫度達到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。

基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術和產業，我國碳化硅功率模塊的產業化水平緊跟國際先進水平。

在器件/模塊/IDM方面，我國在碳化硅器件設計方面還有所欠缺。但近日，派恩杰半導體公司發布國內第一款第三代碳化硅MOSFET，成為國內自主研發設計碳化硅先鋒團隊。

派恩杰團隊經過4個月緊張的設計研發，在8月底正式發布國內首款擁有自主知識產權的工業級6寸1200V 80mΩ 第三代碳化硅MOSFET。該產品各項性能達到國際領先水平，自主研發的碳化硅功率器件繼續領跑全國。

在模塊、器件制造環節我國已出現了一批優秀的企業，包括三安集成、海威華芯、泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤、深圳基本、國揚電子、士蘭微、揚杰科技、瞻芯電子、天津中環、江蘇華功、大連芯冠、聚力成半導體等。同時，比亞迪也宣布已投入巨資布局半導體材料SiC（碳化硅）。

小結

目前，全球碳化硅產業格局呈現美、歐、日三足鼎立格局，其中美國一家獨大(全球70-80%的碳化硅半導體產量來自美國公司)；歐洲在碳化硅襯底、外延、器件以及應用方面擁有完整的產業鏈；日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。

近兩年隨著國家對第三代半導體產業的高度重視，以及在新能源汽車、AI、IoT和5G等新興產業的推動下，國內第三代半導體產業正迎來飛速發展，正在努力趕超外國碳化硅產業。阻礙國內第三代半導體研究進展的主要問題有：1.原材料瓶頸：制備SiC晶圓的設備較為空缺，大多需要進口；2.原始創新問題：相關科研院所和生產企業大都難以忍受長期“只投入、不產出”的現狀；3.人才隊伍建設問題。

但是，與在第一代、第二代半導體材料及集成電路產業上的多年落后、很難追趕國際先進水平的形勢不同，我國在第三代半導體領域的研究工作和世界前沿的差距相對較小，也積累了一定的基礎，涌現了一批例如天科合達、山東天岳、泰科天潤等在內的優秀企業。

此前有業內人士表示，未來五年，全球碳化硅功率器件的產值將會由2018年的40億元向100億元突破，屆時中國如果還沒有一家企業擁有5億元市場的銷售業績（約5%的市場占有率），那么意味著中國企業將再次在功率器件產業上落伍，至少要再次承受15年、一整代人的落后。