碳化硅在半导体行业中的应用有哪些？

碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。

1.碳化硅高纯粉料

碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料,其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。碳化硅粉料有多种合成方式,主要有固相法、液相法和气相法3种。其中,固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。

2.单晶衬底

单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长,也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点,是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。目前,SiC单晶生长方法有物理气相传输法(PVT法)、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)等。

3.外延片

碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。目前,碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法（CVD）、液相法（LPE）、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。

4.功率器件

采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件,具有耐高温、高频、高效的特性。

5.模块封装

目前,量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。模块封装可以优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性,可灵活地将功率器件与不同的应用方案结合。

6.终端应用

在第三代半导体应用中，碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补。由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势,下游行业需求持续增加,有取代SiQ器件的趋势。

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。

特斯拉率先让碳化硅器件上车起到了关键推动作用。多方机构都预测，在未来5-10年间，碳化硅器件的应用增长点会陆续涌现，包括新能源 汽车 、储能、光伏风能发电、5G通信等领域。

碳化硅商用落地的典型代表就是特斯拉，在其推动下，碳化硅的应用进度和市场空间都打开了想象力。

基本半导体董事长汪之涵在前述论坛演讲中指出，从1982年IGBT发明到现在，其仍然是功率半导体器件中最为重要的一个，在各种电力电子应用中发挥着巨大作用。

不过在过去几年时间里，人们欣喜地发现，在很多高端应用中，碳化硅MOSFET已经逐渐取代硅基IGBT。“这个取代的过程和势头，似乎比大家前几年的判断来得更早更快，所以我们认为，碳化硅成为功率半导体主流的时代似乎已经来到。”他续称，虽然目前碳化硅器件的成本比硅基IGBT要高不少，但从全生命周期成本来看，通过使用碳化硅器件，现在的账已经能算过来了。

根据Yole研判，到2027年预计全球碳化硅芯片市场规模约63亿美元，其中接近80%的市场（也即约50亿美元）来自于新能源 汽车 。汪之涵指出，根据其团队测算，随着碳化硅产品成本降低，到2027年，一辆车上不同部件使用碳化硅的价格在2000-3000元，那么届时全球将有一千万辆车使用碳化硅器件，实际上这个数量将只多不少。

芯粤能半导体CTO相奇则指出，“双碳”战略正开启新能源转换的黄金时代，其中电能转换推动需要功率器件，碳化硅器件在其中优势尽显。

根据机构统计，到2030年，中国大陆总用电量将达到10.5万亿度/年，若能用碳化硅功率器件替代传统硅基器件，可节电万亿度，约等于10座三峡大坝。

从应用端来看，新能源 汽车 、光伏和储能、航天、工业等领域牵引下，全球碳化硅市场的规模正快速成长，预计2019-2025年的复合年均增长率为30%。

山东大学晶体材料实验室、南砂晶圆教授徐现刚也指出，碳化硅单晶应用主要为两个方面：一是电力电子碳化硅器件领域，在导电型衬底之上做碳化硅同质外延，如新能源 汽车 、高铁运输、智能电网的逆变器等器件上应用；二是把碳化硅作为衬底材料，生长氮化镓材料的异质外延，在高频大功率微波电子器件里获得了较大应用，也在雷达、通信系统等方面有应用。

不过，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。

一种观点认为，在关键碳化硅衬底技术方面，国内和海外厂商的差距大约是2-3年，但随着集中力量推进研发，这个时间差距有望进一步缩短。

徐现刚在演讲中指出，从衬底发展来看，海外厂商在十年前突破了6英寸衬底技术，目前已稳定导入产业；并在国内“十三五”期间突破了8英寸衬底量产的关键难题，正快速导入量产进程。

国内厂商近些年来也在积蓄经验后快速推动研发落地。“针对碳化硅单晶的研究前期，我们亟需和下游密切配合。在研发2-3英寸单晶时，很难找到电力电子大规模应用，所以我们找到了光电子应用；在6英寸和8英寸单晶上，我们希望和半导体界以及电力电子行业密切配合，也做好了准备。产业角度的需求已经非常旺盛；技术路线上，碳化硅外延的整个产业链不存在被制约发展的问题，所以我认为，8英寸时代真正到来了。”

他续称，就像最开始一种观点认为硅基不用那么着急被碳化硅器件替代一样。特斯拉作为第一个吃螃蟹的人成功之后，大家都开始积极跟进，才有了现在被认为行业将爆发式增长的预期。“所以我想碳化硅晶圆尺寸发展也一样，成熟的8英寸衬底推出后，必然会让成本降低。当然先要面对研发、材料良率低等现阶段难题，但实际上随着技术进步，这也是之前6英寸研发过程中都遇到过的情况。”

还有一个不可忽视的问题是各地的积极建设。一些行业人士指出，在未来十年，整个碳化硅行业面临着巨大机会，同时挑战也很大。目前国内多个省份和城市已经开始推动碳化硅材料和器件等环节的大规模项目落地，这一方面意味着各地都在认可碳化硅的发展未来并积极促进，但另一方面，大规模建设后，在未来几年可能也会面临行业整合过程。

同时，目前南沙在碳化硅领域的产业链已经部署相对完善。“我们称为‘聚沙成塔’，打开地图看会发现，南沙的确是一家一家公司拼图一样拼出了一个产业园，从南砂晶圆开始不断延伸产业链。因此我们认为，南沙发展半导体产业有其独特的思路和节奏。”

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在半导体领域的应用

碳化硅一维纳米材料由于自身的微观形貌和晶体结构使其具备更多独特的优异性能和更加广泛的应用前景，被普遍认为有望成为第三代宽带隙半导体材料的重要组成单元。

第三代半导体材料即宽禁带半导体材料，又称高温半导体材料，主要包括碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化锌、金刚石等。这类材料具有宽的禁带宽度、高的热导率、高的击穿电场、高的抗辐射能力、高的电子饱和速率等特点，适用于高温、高频、抗辐射及大功率器件的制作。第三代半导体材料凭借着其优异的特性，未来应用前景十分广阔。

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