半導體行業(yè)是碳化硅材料發(fā)展?jié)摿ψ畲蠛彤a(chǎn)業(yè)附加值最高的應用方向。
二十世紀九十年代以來，美、日、歐和其他發(fā)達國家為了保持航天、軍事和技術上的優(yōu)勢，將發(fā)展碳化硅半導體技術放在極其重要的戰(zhàn)略地位，相繼投入了大量的人力和資金對碳化硅材料和器件技術進行了廣泛深入的研究，旨在提升其裝備系統(tǒng)的能力和減小組件的體積，目前已經(jīng)取得了重大的突破。
一、碳化硅概述
碳化硅（SiC）又叫金剛砂，密度是3.2g/cm3，天然碳化硅非常罕見，主要通過人工合成。按晶體結構的不同分類，碳化硅可分為兩大類：αSiC和βSiC。
碳化硅材料具有優(yōu)良的熱力學和電化學性能。
在熱力學方面，碳化硅硬度在20℃時高達莫氏9.2-9.3，是最硬的物質之一，可以用于切割紅寶石；導熱率超過金屬銅，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其熱穩(wěn)定性高，在常壓下不可能被熔化；
在電化學方面，碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點，其禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場為Si的10倍；且其耐腐蝕性極強，在常溫下可以免疫目前已知的所有腐蝕劑。
二、碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)鏈
半導體材料是碳化硅最具前景的應用領域之一，碳化硅是目前發(fā)展最成熟的第三代半導體材料。隨著生產(chǎn)成本的降低，SiC半導體正在逐步取代一、二代半導體。
碳化硅半導體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅高純粉料、單晶襯底、外延片、功率器件、模塊封裝和終端應用等環(huán)節(jié)。
1.碳化硅高純粉料
碳化硅高純粉料是采用PVT法生長碳化硅單晶的原料，其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長質量以及電學性能。
碳化硅粉料有多種合成方式，主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中，固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機械粉碎法；液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；氣相法包括化學氣相沉積法、等離子體法和激光誘導法等。
2.單晶襯底
單晶襯底是半導體的支撐材料、導電材料和外延生長基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關鍵步驟是單晶的生長，也是碳化硅半導體材料應用的主要技術難點，是產(chǎn)業(yè)鏈中技術密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。
目前，SiC單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT法）、液相法（LPE法）、高溫化學氣相沉積法（HTCVD法）等。
3.外延片
碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。
目前，碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學氣相淀積法（CVD）、液相法（LPE）、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。
4.功率器件
采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。
從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導體領域的應用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領域的功率器件。
5.模塊封裝
目前，量產(chǎn)階段的相關功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主，少數(shù)采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。
6.終端應用
在第三代半導體應用中，碳化硅半導體的優(yōu)勢在于可與氮化鎵半導體互補，氮化鎵半導體材料的市場應用領域集中在1000V以下，偏向中低電壓范圍，目前商業(yè)碳化硅半導體產(chǎn)品電壓等級為600~1700V。
由于SiC器件高轉換效率、低發(fā)熱特性和輕量化等優(yōu)勢，下游行業(yè)需求持續(xù)增加，有取代SiO2器件的趨勢。
三、市場應用與預測
碳化硅半導體的應用
眾所周知，碳化硅半導體功率器件可以應用在新能源領域�！艾F(xiàn)在我們新能源汽車所用的電可能還有煤電，未來光伏發(fā)電就會占有更多比重，甚至全部使用光伏發(fā)電�！敝锌圃涸菏繗W陽明高曾在一次討論會上這樣說過，光伏需要新能源汽車來消費儲能，而新能源汽車也需要完全的可再生能源。
下一步兩者的結合將形成新的增長點。在歐陽院士提到的三種主要應用“光伏逆變器+儲能裝置+新能源汽車”中，碳化硅（SiC）MOSFET功率器件都是不可或缺的重要半導體器件。
1.光伏逆變器
國內著名光伏逆變器公司合肥陽光電源在2018年累計出貨了超過15萬臺使用碳化硅功率器件的光伏設備，其中已經(jīng)累計使用超過150萬顆碳化硅功率器件。明確指出，使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗，顯著提高開關頻率，得到更高的效率和功率密度，并有效降低系統(tǒng)成本和運維成本。
2.充電樁
這里主要是指大功率直流充電樁，國內目前通常是60kW功率等級。國際著名電源模塊公司臺達電源，在某論壇上曾介紹了電動汽車的充電場景，并表示基于英飛凌碳化硅模塊easy1B和2B的基礎上，提出自有的多種應用拓撲圖模式，成功地為歐盟350kW大功率充電站提供了全面解決方案。
3.新能源汽車
車載充電器：這里主要是指小功率交流充電器，輸入電壓為AC220V。目前國內該行業(yè)龍頭企業(yè)比亞迪和欣銳科技都已經(jīng)使用了碳化硅功率器件，并且取得了良好的產(chǎn)品性能和市場影響力。
電機驅動控制器：自從國際著名汽車公司日本豐田公司宣布與日本電裝株式會社（DENSO）合作開發(fā)了全球第一款全碳化硅功率器件的電機驅動控制器后，國際國內相關企業(yè)都開展了深入的研究。美國著名公司特斯拉Tesla宣布在他的Model3車型使用了碳化硅功率器件的電機驅動控制器。
4.智能電網(wǎng)
在高壓電網(wǎng)傳輸過程中，通常會采用3kV以上功率器件，例如硅IGBT或者碳化硅MOSFET。美國University of Arkansas教授Alan Mantooth研究指出，可以采用多顆1200VMOSFET串聯(lián)起來的拓撲圖應用方案用于承受10kV高電壓。
碳化硅半導體市場預測
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(jù)Yolo公司統(tǒng)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。
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(lián)，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(chǎn)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。
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(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本迅速下降。2017年全球碳化硅功率器件（主要是SiCJBS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(guī)模達到35億元人民幣，并以超過40%的復合年均增長率繼續(xù)快速增長。預計到2025年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)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(guī)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%。
結語
碳化硅作為半導體材料發(fā)展?jié)摿薮�，且目前正處在行業(yè)發(fā)展的初期，不管是理論研究，還是產(chǎn)業(yè)應用都具有廣闊空間。因此，開發(fā)碳化硅在半導體領域的全部價值是實現(xiàn)快速發(fā)展的關鍵。你對此有什么看法嗎？歡迎轉發(fā)朋友圈，留下你的看法。
參考來源
楊璽等. 簡析碳化硅在半導體行業(yè)中的發(fā)展?jié)摿?/span>
曹峻. 碳化硅半導體技術和市場應用綜述
葛海波等. 碳化硅半導體技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
中國寬禁帶功率半導體及應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
