探索第三代半导体碳化硅

功率半导体的技术和材料创新都致力于提高能量转化效率（理想转化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比传统的 Si 基功率器件效率高、损耗小，在新能源 车 、光伏风电、不间断电源、家电工控等有广阔的应用前景。目前 SIC 行业发展的瓶颈主要在于 SIC 衬底成本高（是 Si 的 4-5 倍，预计未来 3-4年价格会逐渐降为 Si 的 2 倍），同时 SIC MOS 为代表的 SIC 器件产品稳定性需要时间验证。国内外 SIC 产业链日趋成熟，成本也在持续下降，产业链爆发的拐点临近，Yole 预计 SIC 器件空间将从 2019 年4.8亿美金到 2025 年 30 亿美金 2030 年 100 亿美金，即 10年 20 倍增长。
第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料，应用极为普遍，包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源 、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用；第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb），主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。Si 基器件在 600V 以上高电压以及高功率场合达到其性能的极限；为了提升在高压/高功率下器件的性能，第三代半导体材料 SiC （宽禁带）应运而生；第三代半导体主要是 SIC 和 GaN，第二代和第三代也称作化合物半导体，即两种元素组成的半导体材料，区别于硅/锗等单质半导体：SIC 材料具有明显的性能优势。SiC 和 GaN 是第三代半导体材料，与第一二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等性能优势，所以又叫宽禁带半导体材料，特别适用于 5G 射频器件和高电压功率器件。
IC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其导通电阻可以做的更低，体现在产品上面，就是尺寸降低，从而缩小体积，并且开关速度快，功耗相比于传统功率器件要降低。在电动车领域，电池重量大且价值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，减小体积，那么在电池的安排上就更游刃有余；同时在高压直流充电桩中应用 SIC 会使得充电时间缩短，带来的巨大社会效益。业发展的瓶颈目前在于 SIC 衬底成本高：目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍，预计未来 3-5 年价格会逐渐降为 Si 的 2倍左右，SIC 行业的增速取决于 SIC 产业链成熟的速度，目前成本较高，且 SIC 器件产品参数和质量还未经足够验证；SIC MOS 的产品稳定性需要时间验证：根据英飞凌 2020 年功率半导体应用大会上专家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短，在车载领域才刚开始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模块），一些诸如短路耐受时间等技术指标没有提供足够多的验证，SIC MOS 在车载和工控等领域验证自己的稳定性和寿命等指标需要较长时间；根据Yole 预测，SIC 和 GaN 电力电子器件（注意是 GaN 在电力电子中的应用，不包括在高频射频器件）2023 年在整体功率器件渗透率分别为 3.75%和 1%；驱动因素是新能源汽车新能源发电以及快充。目前国内外 SIC 产业链日趋成熟，成本持续下降，下游接受度也开始提升，目前整个产业链处于行业爆发的前夜。
SIC 产业链分为三大环节：上游的 SIC 晶片和外延→中间的功率器件的制造（包含经典的 IC 设计→制造→封装三个小环节）→下游工控、新能源车、光伏风电等应用。目前上游的晶片基本被美国 CREE 和 II-VI 等美国厂商垄断；国内方面，SiC 晶片商山东天岳和天科合达已经能供应 2 英寸~6 英寸的单晶衬底，且营收都达到了一定的规模（今年均会超过 2 亿元 RMB）；SiC 外延片：厦门瀚天天成与东莞天域可生产 2 英寸~6 英寸 SiC 外延片。SIC 晶片、外延和设备：国外 CREE 和 II-VI 占据了 SIC 片 70%以上的份额，国内山东天岳和天科合达已经初具规模；露笑科技 2019 年 11 月公告，露笑科技将为中科钢研、国宏中宇主导的碳化硅产业化项目定制约 200 台碳化硅长晶炉，设备总采购金额约 3 亿元，同时露笑科技另外 2020 年 8 月公告计划与合肥合作投资 100 亿元建设第三代半导体产业园，从 SIC 设备切入衬底和外延等环节。
据媒体12月23日报道，比亚迪 半导体产品总监杨钦耀日前表示，比亚迪车规级的IGBT已经走到5代，碳化硅MOSFET已经走到3代，第4代正在开发当中。目前在规划自建SiC产线，预计到明年有自己的产线。据了解，比亚迪半导体以IGBT和SiC为核心，拥有IDM功率半导体产业，包括芯片 设计、晶圆制造、模块封装测试以及整车应用。目前，比亚迪已研发出SiC MOSFET。比亚迪旗舰车型汉EV四驱版正是国内首款批量搭载Sic MOSFET组件的车型。按照比亚迪公布的计划，预计到 2023 年，其旗下电动车将实现碳化硅功率半导体对 IGBT的全面替代，整车性能在现有基础上再提升10％。
11月25日，苏州固锝 在互动平台上表示，公司在工业控制、5G通讯等行业按规划在替代中。第三代半导体SiC产品已有开始小批量量产。据悉，苏州固锝目前主要业务构成是三大领域，包括半导体分立器件和集成电路封装产品、MEMS传感器、新材料及其他光伏新能源产品。在半导体领域，上半年虽受疫情影响，市场波动加大，受益于半导体国产化的利好，IC产线持续满载，产量及需求持续增加，苏州固锝深入挖掘现有封装产品的潜力，进一步做精做强QFN封装，加大Power类自有产品新品开发，MEMS产线加快新品推出并进一步扩大规模。2020年，苏州固锝重点推进基于微机电MEMS的堆叠式麦克风传感器开发与量产，汽车胎压传感器产品批量化生产。新一代适用于下一代高能效太阳能 电池面板的旁路集成模块做到了业界最高功率密度最优成本，多家客户已开始大规模量产。近10多款产品获得H客户认证并已开始大规模量产，通过全面精益生产持续提升产线效率，协同AICS资源整合，发挥海外优势资源。关于产品订单，苏州固锝表示，半导体行业目前订单需求旺盛，订单饱满。
天通股份（ 600330 ）：进行了第三代化合物半导体碳化硅衬底材料的布局，目前天通吉成的碳化硅生产设备技术已达国际领先水平。
海特高新（ 002023 ）：目前已完成包括砷化镓、氮化镓、碳化硅及磷化铟在内的6项工艺产品的开发，可支持制造功率放大器、混频器、低噪音放大器、开关、光电探测器、激光器、电力电子等产品，产品广泛应用于5G移动通信、人工智能 、雷达、汽车电子等领域。截止目前公司部分产品已实现量产，服务客户数和订单持续增加。
晶盛机电 近日接受调研时表示，公司目前已形成8英寸硅片晶体生长、切片、抛光、外延加工设备全覆盖，产品已经批量进入客户产线，国产化加速落地；12英寸硅片晶体生长炉小批量出货，12英寸加工设备的研发和产业化也在加速推进。公司已经开发出第三代半导体材料SiC长晶炉、外延设备，其中SiC长晶炉已经交付客户使用，外延设备完成技术验证，产业化前景较好。