【原创】All in SiC

中国粉体网讯  碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，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，在高温、高压、高频领域表现优异，已成为半导体材料技术领域的主要发展方向之一。

SiC衬底主要包括导电型和半绝缘型两类，二者在外延层及下游应用场景不同。

导电型SiC衬底经过同质外延生长、器件制造可制成SiC二极管、MOSFET等功率器件，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。

4H导电型SiC单晶衬底（来源：天岳先进）

半绝缘型SiC衬底经过氮化镓外延、器件制造可制成HEMT等微波射频器件，主要应用于5G通讯、卫星、雷达等领域。

4H半绝缘型SiC单晶衬底（来源：天岳先进）

放眼当下，新能源汽车的快速发展是SiC功率器件应用的主要驱动力，SiC功率器件相比Si器件具有输出功率高、能量损耗低、体积小、散热能力强等显著优势，是新能源汽车电驱动系统和车载充电系统的核心部件。可助力新能源汽车提升加速度、降低系统成本、增加续航里程以及实现轻量化等。

据Yole预计，全球SiC功率半导体市场规模将从2021年的11亿美元（73.98亿人民币）增长至2027年的63亿美元（423.75亿人民币），复合增速超过34%。其中接近80%的市场（约50亿美元）来自于新能源汽车。

衬底制备技术门槛较高

SiC行业三个重点环节（衬底、外延和器件）中，衬底是SiC产业链的核心，在产业链中价值量占比最高，接近50%。衬底行业的发展也是未来SiC产业降本、大规模产业化的主要驱动力。

但同时，衬底制备也是难度最大、技术含量最高的环节。与硅相比，SiC的共价键键能更高、晶体构型的种类更丰富，本质上决定单晶衬底制备面临两方面突出困难：

①晶体生长条件极为苛刻。SiC生长温度介于2000℃-2500℃之间，压力高达350MPa，高温高压条件对设备硬件参数和工艺条件要求更高。

②晶型“百里挑一”。SiC有近250种晶体结构，仅4H型禁带宽度最大，适合制作功率半导体。由于每种结构对原材料配比和温度变化非常敏感，需要在生长阶段对原料配比和热场精准控制。

传统制备技术有待颠覆

目前，物理气相传输法（PVT法）仍然是SiC衬底的国际主流制备方案，PVT法生长SiC晶体的生长装置及长晶过程如下图所示。该过程主要由三个步骤组成：①坩埚底部SiC原料的分解与升华；②气相组分从料面传输至上部籽晶表面；③在籽晶生长面沉积并结晶。

PVT法生长SiC单晶衬底生长装置及过程示意图（来源：王宇等，《PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展》）

但PVT法的生产效率较低，企业生产面临三重障碍：

①SiC晶体生长速度极慢，平均生长速度约为0.2-1毫米/小时，仅为硅晶棒的十分之一；

②SiC晶棒厚度存在瓶颈，一般每个生长周期（7-10天）晶棒厚度仅2厘米，无法通过增加生长时间实现厚度增加，而硅晶棒厚度可达2米以上；

③晶体扩径难以实现，扩径需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面控制要素，控制难度和研发投入呈现几何级增长。

此外，由于SiC材料硬度仅次于金刚石，在晶棒切割环节磨损较多，额外增加了产品成本。随着衬底尺寸扩充，研发成本将呈现指数增长，企业的产品成本将大幅增加。

基于此，如何颠覆SiC衬底的传统制备技术成为推动产业变革的“高速反应釜”。特别是2022年以来，国外SiC强国研发加速推进，形成一批具有改变“游戏规则”的颠覆性技术。例如日本研发表面纳米控制技术，可完全消除缺陷并大幅提升衬底生产效率；英飞凌研发冷切割技术，可将衬底损耗减少一半。

国外领先，我国追赶

目前，6英寸衬底是SiC衬底市场上的主流产品，而8英寸衬底是SiC半导体产业发展的主要方向之一。在国际上，行业龙头美国Wolfspeed最早在2015年展示了8英寸SiC样品，其他多家企业也陆续宣布研发出了8寸SiC衬底，例如Coherent Corp（原II-VI）、Rohm semiconductor、STMicroelectronics等。Wolfspeed是目前唯一一家实现8英寸SiC衬底量产的企业，位于纽约莫霍克谷的8英寸SiC衬底工厂已于2022年4月正式投产。

国内产业界和科研机构虽然起步稍晚，但也取得不错的进展。2022年，多家单位公布了8英寸产品开发成功，这些单位有北京天科合达半导体股份有限公司、中科院物理所、山西烁科晶体有限公司、山东天岳先进材料科技有限公司、山东大学等。

重兵集结，All in SiC

SiC材料的优越性能、短缺现实和技术难点，巩固了其在半导体市场中的优势地位，进而成为国外巨头抢占的技术“新高地”。

并购整合

近几年，围绕SiC衬底的并购整合方兴未艾，并呈加速态势，对保障全球SiC供应链和企业自身发展起到显著促进作用。2018年，英飞凌收购德国Siltectra，其衬底切割技术大幅提高英飞凌的量产能力。2019年，韩国SK Siltron收购美国杜邦的SiC衬底业务，其6英寸衬底产能大幅跃升；意法半导体收购瑞典Norstel AB的45%股权，对意法半导体率先开展8英寸衬底量产起到关键作用。2022年，安森美收购GT Advanced Technologies和法国Soitec收购NOVASiC都是行业巨头对有限衬底资源的抢夺战，继而在新能源汽车赛道上先发制人。相比之下，国内产业链并购整合屈指可数，IDM企业更是凤毛麟角，企业单打独斗难以形成有效合力。

大幅扩产

2023年1月12日，英飞凌宣布已与Resonac签署一份新采购合作长单。

Resonac前身为昭和电工，由昭和电工株式会社与昭和电工材料株式会社（原日立化成）于2023年1月1日合并而来。而昭和电工是全球最大的SiC外延片供应商，其将在2026年之前将用于下一代功率半导体的材料的产量提高到目前产量的五倍。

英飞凌与Resonac达成的新的多年期协议扩展了2021年签署的现有150mmSiC晶圆协议，并且是英飞凌计划在本十年末扩大其SiC制造能力以达到30%的市场份额计划的一部分。到2027年，英飞凌的SiC制造能力将增加十倍。作为合作的一部分，英飞凌将为Resonac提供与SiC材料技术相关的知识产权。

意法半导体也强调了汽车对SiC的需求之旺盛。在2022年二季度业绩说明会上，意法半导体提到目前公司有102个SiC项目，分布在77个客户，其中汽车和工艺占比各一半，预计2023年收入达到10亿美元量级。在扩产上，意法半导体表示，未来五年内投资金额约为7.3亿欧元，其中，意法半导体欲通过在意大利建设的年产超过37万片的衬底项目实现40%SiC衬底的自主供应以及从衬底到晶圆制造的全产业链布局。

安森美自2022年10月收购GTAT以后，其对新的企业部门进行了投资并扩大了产能。2021年8月，安森美半导体更名为安森美（去“半导体”化），深度聚焦汽车产业链，并将SiC作为长期核心增长点。其IDM转Fab-liter模式，不断推动公司盈利能力改善。安森美总裁兼首席执行官CEO透露，“2022-2023年安森美在SiC方面的资本支出将会达到总收入的15%-20%，其中75%-80%将用于SiC的产能扩张。”安森美SiC收入有望在2022年增加两倍，在23年实现10亿美元的收入，并继续扩充产能，在未来3年以期实现40亿美元的SiC收入。

参考资料：

1、娄艳芳等，《8英寸导电型4H-SiC单晶衬底制备与表征》

2、财联社，《突破性第三代半导体材料！碳化硅利好消息密集催化，产业链上市公司梳理》

3、解楠，《坚持“主抓衬底，向绿图强”推进我国碳化硅产业高端突破》

4、王宇等，《PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展》

5、科创板日报，《英飞凌重兵集结SiC？产能定下十倍目标已着手加大材料采购》

6、集邦半导体，《扩产！碳化硅逆风前行》

（中国粉体网编辑整理/长安）

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