硅基,、碳化硅基的認(rèn)識

　　在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域,，主要的材料是硅和碳化硅等,，首先看硅基,。

　　全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)市場集中度很高，主要被日本,、德國,、韓國、中國臺灣等國家和地區(qū)的知名企業(yè)占據(jù),。目前,，全球前五大半導(dǎo)體硅片企業(yè)規(guī)模較大，合計市場份額達(dá)93%,。其中,，日本信越化學(xué)市場份額27.58%，日本SUMCO市場份額24.33%,，德國Siltronic市場份額14.22%,，中國臺灣環(huán)球晶圓市場份額為16.28%，韓國SK Siltron市場份額占比為10.16%,。相較于行業(yè)前五大半導(dǎo)體硅片企業(yè),，硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)規(guī)模較小，占全球半導(dǎo)體硅片市場份額2.18%,。近年來隨著我國對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視,，在產(chǎn)業(yè)政策和地方政府的推動下，我國半導(dǎo)體硅片行業(yè)的新建項(xiàng)目也不斷涌現(xiàn),。伴隨著全球芯片制造產(chǎn)能向中國大陸轉(zhuǎn)移的長期過程,，中國大陸市場將成為全球半導(dǎo)體硅片企業(yè)競爭的主戰(zhàn)場。

　　半導(dǎo)體硅片是芯片制造的核心材料,，芯片制造企業(yè)對半導(dǎo)體硅片的品質(zhì)有著極高的要求,，對供應(yīng)商的選擇非常慎重。根據(jù)行業(yè)慣例,，芯片制造企業(yè)需要先對半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證,，才會將該硅片制造企業(yè)納入供應(yīng)鏈，一旦認(rèn)證通過,，芯片制造企業(yè)不會輕易更換供應(yīng)商,。中國大陸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)300mm半導(dǎo)體硅片規(guī)模化銷售，半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路,、分立器件,、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)性的一環(huán),。然而，半導(dǎo)體硅片也是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈與國際先進(jìn)水平差距最大的環(huán)節(jié)之一,，當(dāng)前我國半導(dǎo)體硅片的供應(yīng)高度依賴進(jìn)口,，國產(chǎn)化進(jìn)程嚴(yán)重滯后。

　　根據(jù) WSTS 分類標(biāo)準(zhǔn),，半導(dǎo)體芯片主要可分為集成電路,、分立器件、傳感器 與光電子器件四種類別,。其中,，集成電路可細(xì)分為存儲器、模擬芯片,、邏輯芯片 與微處理器,。模擬芯片可進(jìn)一步細(xì)分為功率器件、放大器,、濾波器,、反饋電路、基準(zhǔn)源電路,、開關(guān)電容電路等產(chǎn)品,。射頻前端芯片是模擬芯片的一種，是集合了多種類型模擬芯片的模塊,。

　　半導(dǎo)體硅片尺寸越大,，對半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備,、材料,、工藝的要求越高。目前,，全球市場主流的產(chǎn)品是200mm（8英寸）,、300mm（12英寸）直徑的半導(dǎo)體硅片，下游芯片制造行業(yè)的設(shè)備投資也與200mm和300mm規(guī)格相匹配,?？紤]到大部分200mm及以下芯片制造生產(chǎn)線投產(chǎn)時間較早，絕大部分設(shè)備已折舊完畢,，因此200mm及以下半導(dǎo)體硅片對應(yīng)的芯片制造成本往往較低,，在部分領(lǐng)域使用200mm及以下半導(dǎo)體硅片的綜合成本可能并不高于300mm半導(dǎo)體硅片。此外，在高精度模擬電路,、射頻前端芯片,、嵌入式存儲器、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器,、高壓MOS等特殊產(chǎn)品方面,，200mm 及以下芯片制造的工藝更為成熟。綜上,，200mm及以下半導(dǎo)體硅片的需求依然存在,。隨著汽車電子、工 業(yè)電子等應(yīng)用的驅(qū)動,，200mm半導(dǎo)體硅片的需求呈上漲趨勢,。目前，除上述特 殊產(chǎn)品外,，200mm及以下半導(dǎo)體硅片的需求主要來源于功率器件,、電源管理器、非易失性存儲器,、MEMS,、顯示驅(qū)動芯片與指紋識別芯片等，終端應(yīng)用領(lǐng)域主要為移動通信,、汽車電子,、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)電子等,。

　　接下來,，我們看一下碳化硅基片。

　　碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料,，以其制作的器件具有耐高溫,、耐高壓、高頻,、大功率,、抗輻射等特點(diǎn)，具有開關(guān)速度快,、效率高的優(yōu)勢,，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積,。目前,，碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于以5G通信、國防軍工,、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車,、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域,，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景,。同時,，我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施,，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè),、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通,、新能源汽車充電樁,、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　因此,，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需 求的戰(zhàn)略性行業(yè),。全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體行業(yè)目前總體處于發(fā)展初期階段,，相比硅和砷化鎵等半導(dǎo)體而言，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域我國和國際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對較小,。另外,，由于寬禁帶半導(dǎo)體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度，下游制造環(huán)節(jié)對設(shè)備的要求相對較低,，投資額相對較小,，制約寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵之一在上游材料端。因此,，我國若能在寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)上游襯底材料行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破,，將有望在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車。

　　由于全球行業(yè)龍頭企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域起步較早,，因此在碳化硅襯底各尺寸量產(chǎn)推出時間方面,，中國的企業(yè)與全球行業(yè)龍頭企業(yè)存在差距：以半絕緣型碳化硅襯底為例，在4英寸至 6英寸襯底的量產(chǎn)時間上全球行業(yè)龍頭企業(yè)分別早于中國龍頭企業(yè)（天岳先進(jìn)）10年以上及 7 年以上,；截至目前,，中國（天岳先進(jìn)）尚不具備8英寸襯底的量產(chǎn)能力，全球行業(yè)龍頭企業(yè)已于2019年或以前具備 8 英寸襯底量產(chǎn)能力,。在大尺寸產(chǎn)品供應(yīng)情況方面,，根據(jù)公開信息，行業(yè)龍頭科銳公司能夠批量供應(yīng)4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底,，且已成功研發(fā)并開始建設(shè)8英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線,。目前，公司主要產(chǎn)品是4英寸半絕緣型碳化硅襯底,，6英寸半絕緣型和6英寸導(dǎo)電型襯底已形成小批量銷售,，與全球行業(yè)龍頭尚存在一定的差距,。

　　目前下游行業(yè)已利用碳化硅在高壓、高溫,、高功率,、高頻等方面的優(yōu)勢開發(fā)出新一代半導(dǎo)體器件，碳化硅襯底的下游應(yīng)用主要為射頻器件及功率器件,，其下游應(yīng)用發(fā)展情況較好,。在5G基站建設(shè)、無線電探測,、新能源汽車及充電樁等領(lǐng)域得到快速應(yīng)用,，并將在光伏新能源、軌道交通,、智能電網(wǎng)等行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用,。

　　碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢,。但是在射頻器件,、功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場應(yīng)用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本,。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢,、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長速度慢,、缺陷控制難度大,。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內(nèi)依然較為高昂,。

　　例如,，目前碳化硅功率器件的價格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來的綜合成本下降之間的關(guān)系,，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率,，使得碳化硅材料即使在部分相對優(yōu)勢領(lǐng)域的降成本、促銷售的可行性和預(yù)期進(jìn)展仍存在較大的挑戰(zhàn),，導(dǎo)致整體行業(yè)發(fā)展不達(dá)預(yù)期,，對發(fā)行人的經(jīng)營產(chǎn)生不利影響。公司生產(chǎn)所需的原材料主要包括碳粉和硅粉等主料和石墨件,、石墨氈,、拋光液、金剛石粉等輔料,。生產(chǎn)設(shè)備主要包括長晶爐,、切割研磨設(shè)備等。

　　主要生產(chǎn)流程

　　在對原理和技術(shù)有了基本了解以后,，我們進(jìn)一步探討其制造流程,。首先看硅基生產(chǎn)流程,。

　　半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)流程較長，涉及工藝較多,。半導(dǎo)體拋光片生產(chǎn)環(huán)節(jié)包含了拉晶,、滾圓、切割,、 研磨,、蝕刻、拋光,、清洗等工藝,；半導(dǎo)體外延片生產(chǎn)過程主要為在拋光片的基礎(chǔ) 上進(jìn)行外延生長；SOI 硅片主要采用鍵合或離子注入等方式制作,。半導(dǎo)體硅片每 一個工藝環(huán)節(jié)均會影響產(chǎn)成品的質(zhì)量,、性能與可靠性 。

　　根據(jù)制造工藝分類,，半導(dǎo)體硅片主要可以分為拋光片,、外延片與以SOI 硅片為代表的高端硅基材料。單晶硅錠經(jīng)過切割,、研磨和拋光處理后得到拋光片,。拋光片經(jīng)過外延生長形成外延片,，拋光片經(jīng)過氧化,、鍵合或離子注入等工藝處理后 形成 SOI 硅片。隨著集成電路特征線寬的不斷縮小,，光刻機(jī)的景深也越來越小,，硅片上極其 微小的高度差都會使集成電路布線圖發(fā)生變形、錯位,，這對硅片表面平整度提出了苛刻的要求,。

　　此外，硅片表面顆粒度和潔凈度對半導(dǎo)體產(chǎn)品的良品率也有直接影響,。拋光工藝可去除加工表面殘留的損傷層,，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅片表面平坦化，并進(jìn)一步減小硅片的表面粗糙度以滿足芯片制造工藝對硅片平整度和表面顆粒度的要求,。拋光片可直接用于制作半導(dǎo)體器件,，廣泛應(yīng)用于存儲芯片與功率器件等，也可作為外延片,、SOI 硅片的襯底材料,。外延是通過化學(xué)氣相沉積的方式在拋光面上生長一層或多層，摻雜類型,、電阻率,、厚度和晶格結(jié)構(gòu)都符合特定器件要求的新硅單晶層,。外延技術(shù)可以減少硅 片中因單晶生長產(chǎn)生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量,。

　　外延片常在CMOS電路中使用,，如通用處理器芯片、圖形處理器芯片等,，由于外延片相較于拋光片 含氧量,、含碳量、缺陷密度更低,，提高了柵氧化層的完整性,，改善了溝道中的漏電現(xiàn)象，從而提升了集成電路的可靠性,。除此之外,，通常在低電阻率的硅襯底上 外延生長一層高電阻率的外延層，應(yīng)用于二極管,、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管） 等功率器件的制造,。功率器件常用在大功率和高電壓的環(huán)境中，硅襯底的低電阻 率可降低導(dǎo)通電阻,，高電阻率的外延層可以提高器件的擊穿電壓,。

　　外延片提升了器件的可靠性，并減少了器件的能耗,，因此在工業(yè)電子,、汽車電子等領(lǐng)域廣泛使用。SOI硅片即絕緣體上硅,，是常見的硅基材料之一,，其核心特征是在頂層硅和支撐襯底之間引入了一層氧化物絕緣埋層，具體流程如下：

　　▲圖一 硅片生產(chǎn)流程

　　再看碳化硅基生產(chǎn)流程,，其具體可以分為以下幾步：

　?。?）原料生成：（PVT氣相形成，結(jié)構(gòu)也多,，控制度很難）

　　將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合,，在 2,000℃以上的高溫條件下，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)工藝,，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的,、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒,。再經(jīng)過破碎,、篩分、清洗等工序,，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料,。每一批進(jìn)行取樣測試純度,、顆粒度等。

　?。?）晶體生長

　　中國企業(yè)一般采用PVT 法制備碳化硅單晶,，PVT 法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長腔室內(nèi)在 2,300°C 以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料,，使其升華產(chǎn)生包含 Si,、Si2C、SiC2 等不同氣相組分的反應(yīng)氣體,，通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源,；由于固相升華反應(yīng)形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同,，Si/C化學(xué)計量比隨熱場分布存在差異,，需要使氣相組分按照設(shè)計的熱場和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長腔室既定的結(jié)晶位置,；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅,，在生長腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動下在籽晶表面原子沉積,，生長為碳化硅單晶,。

　　以上碳化硅單晶制備的整個固-氣-固反應(yīng)過程都處于一個完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個參數(shù)相互耦合,，任意生長條件的波動都會導(dǎo)致整個單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化,，影響碳化硅晶體生長的穩(wěn)定性；此外,，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式,，從而形成 200 多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型,，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢壘極低,。因此，在 PVT 單晶生長系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化,，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問題,。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。

　?。?）晶錠加工

　　將碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進(jìn)行定向,，之后通過精密機(jī)械加工的方式磨平、滾圓,，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒,。對所有成型晶棒進(jìn)行尺寸、角度等指標(biāo)檢測,。

　?。?）晶棒切割

　　在考慮后續(xù)加工余量的前提下,，使用金剛石細(xì)線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割，并使用全自動測試設(shè)備進(jìn)行翹曲度（Warp）,、彎曲度（Bow）,、厚度變化（TTV）等面型檢測。

　?。?）切割片研磨

　　通過自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度,，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動測試設(shè)備及非接觸電阻率測試儀對全部切割片進(jìn)行面型及電學(xué)性能檢測,。

　?。?）研磨片拋光

　　通過配比好的拋光液對研磨片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光，用來消除表面劃痕,、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等,，使研磨片表面達(dá)到納米級平整度。使用X射線衍射儀,、原子力顯微鏡,、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設(shè)備,，檢測碳化硅拋光片的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級。

　?。?）拋光片清洗

　　在百級超凈間內(nèi),，通過特定配比的化學(xué)試劑及去離子水對清洗機(jī)內(nèi)的拋光片進(jìn)行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒,、金屬離子,、有機(jī)沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi),，形成可供客戶開盒即用的碳化硅襯底,。

　　注：圖片來源于巨浪資訊

　　▲圖二 碳化硅基片生產(chǎn)流程

　　制造污染問題分析

　　在討論這些材料的時候，不能忽視的一個方面是制造污染,，我們同樣從硅基個碳化硅基兩個方向分析,。

　　首先看硅基生產(chǎn)污染。其生產(chǎn)經(jīng)營中的多個環(huán)節(jié)涉及環(huán)境污染,，生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生一定量的廢水,、 廢氣、固廢和噪音,。廢水包括工藝廢水,、廢氣處理系統(tǒng)廢水，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均有一定量的清洗廢水產(chǎn)生；廢氣包括微酸性廢氣,、外延廢氣,、廢水處理系統(tǒng)廢氣和 微堿性廢氣，其中微酸性廢氣主要來源于應(yīng)力清除,、清洗環(huán)節(jié),，外延廢氣來自于 外延環(huán)節(jié)，廢水處理系統(tǒng)廢氣來自于廢氣處理,；固廢主要包括廢化學(xué)包裝,、廢石 英坩堝、廢石墨熱場,、廢磨輪,、廢金剛線等，固廢產(chǎn)生的生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括拉晶,、研磨,、拋光、廢水處理等環(huán)節(jié),；噪音來源主要為廢氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī),、冷卻塔、空壓機(jī),、空調(diào)機(jī)組,、各類泵等。

　　注：圖片來源于巨浪資訊

　　▲圖三 硅基生產(chǎn)污染及處理

　　再看碳化硅污染,，碳化硅襯底材料生產(chǎn)主要工序涉及原料合成,、晶體生長、晶錠加工,、晶棒切割,、切割片研磨、研磨片拋光,、拋光片清洗等環(huán)節(jié),，不屬于重污染行業(yè)；產(chǎn)生的主要污染物為廢水（主要包括酸洗清洗廢水,、廢氣凈化廢水,、倒角清洗廢水,、研磨清洗廢水,、機(jī)械拋光清洗廢水、生活污水等）,、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì),、加工下腳料、生活垃圾等）、危險廢物（主要包括廢研磨液,、廢切削液,、廢拋光液等）、廢氣（主要包括酸洗廢氣,、乙醇清洗廢氣,、有機(jī)廢氣等）、噪聲等,。公司污染物處理主要方式為：廢水通過經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排入市水質(zhì)凈化廠進(jìn)一步處理,；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理，其他通過回收單位進(jìn)行資源再利用,；危險廢物通過委托有資質(zhì)第三方機(jī)構(gòu)處理,；廢氣通過排污裝置合規(guī)排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理,。

　　材料屬性對比

　　第一,、二、三,、四代半導(dǎo)體材料各有利弊,，并無絕對的替代關(guān)系，而是在特定的應(yīng)用場景中存在各自的比較優(yōu)勢,。這應(yīng)該是建立的一個常識認(rèn)知,。以下材料的性能對比：

　　注1：碳化硅有200多種結(jié)構(gòu)，以上為常見的4H-SiC,，氧化鎵為β-氧化鎵

　　注2：數(shù)據(jù)來源為《寬禁帶半導(dǎo)體高頻及微波功率器件與電路》,，趙正平著，國防工業(yè)出版

　　硅屬于半導(dǎo)體材料,，其自身的導(dǎo)電性并不是很好,。然而，可以通過添加適當(dāng)?shù)膿诫s劑來精確控制它的電阻率,。制造半導(dǎo)體前,，必須將硅轉(zhuǎn)換為晶圓片(wafer)。這要從硅錠的生長開始,。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體,，這種模式貫穿整個材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨(dú)形成的,，不能用來做半導(dǎo)體電路,。多晶硅必須融化成單晶體，才能加工成半導(dǎo)體應(yīng)用中使用的晶圓片,。加工硅晶片生成一個硅錠要花一周到一個月的時間,，這取決于很多因素，包括大小、質(zhì)量和終端用戶要求,。超過75%的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ,，也叫提拉法)方法生長的。

　　至于碳化硅,，根據(jù)《中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)：新材料（第三代半導(dǎo)體材料）》,，與硅相比，碳化硅擁有更為優(yōu)越的電氣特性：①耐高壓：擊穿電場強(qiáng)度大,，是硅的 10 倍,，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度,，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗,。②耐高溫：半導(dǎo)體器件在較高的溫度下，會產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)象,，造成器件失效,。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高,。碳化硅的禁帶接近硅的3倍,，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過 300℃,，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到 600℃以上,。

　　同時，碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高,，高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱,，在同 樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對散熱的設(shè)計要求更低,，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化,。③實(shí)現(xiàn)高頻的性能：碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍,，這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度,。基于這些優(yōu)良的特性,，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底,，可以滿足高溫、高壓,、高頻,、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件,。

　　接下來看不同器件對比,。

　　功率器件,，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比,，其尺寸可大幅減小至原來的1/10,，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來的1/100。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可大大降低70%,。碳化硅功率器件具有高電壓,、大電流、高溫,、高頻率,、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率,，對高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生 重大而深遠(yuǎn)的影響,，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動汽車/充電樁、光伏新能源,、軌道交通,、智能電網(wǎng)等。碳化硅器件具有低損耗,、高開關(guān)頻率,、高適用性、降低系統(tǒng) 散熱要求等優(yōu)點(diǎn),，將在光伏新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。

　　例如，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里,，碳化硅器件在系統(tǒng)級層面帶來成本和效能的好處,。陽光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中。電動驅(qū)動系統(tǒng)中,，主逆變器負(fù)責(zé)控制電動機(jī),，是汽車的關(guān)鍵元器件，特斯拉Model 3的主逆變器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的24個碳化硅MOSFET功率模塊,。

　　注：圖片來源于巨浪資訊

　　▲圖四 不同襯底器件對比圖

　　碳化硅基氮化鎵射頻器件具有良好的導(dǎo)熱性能,、高頻率、高功率等優(yōu)勢,，有望開啟其廣泛應(yīng)用,。氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件，因此 成為 4G/5G 移動通訊系統(tǒng),、新一代有源相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的核心微波射頻器件,。氮化鎵射頻器件正在取代 LDMOS在通信宏基站、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用,。隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對數(shù)據(jù)流量,、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長,，氮化鎵器件在基站中應(yīng)用越來越廣泛。

　　根據(jù) Yole 預(yù)測,，至2025年,，功率在3W以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下,，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份額,，占據(jù)射頻器件市場約50%的份額。

　　氮化鎵射頻器件主要基于碳化硅,、硅等異質(zhì)襯底外延材料制備的,，并在未來一段時期也是主要選擇。相比較硅基氮化鎵,，碳化硅基氮化鎵外延主要優(yōu)勢在其材料缺陷和位錯密度低,。碳化硅基氮化鎵材料外延生長技術(shù)相對成熟，且碳化硅襯底導(dǎo)熱性好,，適合于大功率應(yīng)用,，同時襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此碳化硅基氮化鎵射頻器件成為目前市場的主流,。根據(jù) Yole 報告,，90%左右的氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制備。

　　生產(chǎn)商家對比

　　我們還需要對廠商進(jìn)行一些基本的分析,。其中硅基片主要生產(chǎn)商家資料如下,。

　　▲圖五 硅基生產(chǎn)商家對比

　　（1）信越化學(xué)

　?、傩旁交瘜W(xué)（4063.T） 信越化學(xué)是全球排名第一的半導(dǎo)體硅片制造商,，是日本著名的化學(xué)品公 司。信越化學(xué)設(shè)立于 1926 年,，為東京證券交易所上市公司,。主營業(yè)務(wù)包括 PVC（聚氯乙烯）、有機(jī)硅塑料,、纖維素衍生物,、半導(dǎo)體硅片、磷化鎵,、稀土 磁體,、光刻膠等產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn),、銷售,。信越化學(xué)采取多元化發(fā)展戰(zhàn)略，在 多個產(chǎn)品領(lǐng)域均全球領(lǐng)先,。信越化學(xué)于 2001 年開始大規(guī)模量產(chǎn) 300mm 半導(dǎo)體 硅片,，半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品類型包括 300mm 半導(dǎo)體硅片在內(nèi)的各尺寸硅片及 SOI 硅片,。

　　（2）Siltronic

　　Siltronic是全球排名第四的半導(dǎo)體硅片制造商,，主營經(jīng)營地在德國于2015年在法蘭克福證券交易所上市,。Siltronic專注于半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)，從1953年開始從事半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)的研發(fā)工作,，1998年實(shí)現(xiàn)300mm半導(dǎo)體硅片的試生產(chǎn),，2004年300mm半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)線投產(chǎn),。主要產(chǎn)品包括125-300mm半導(dǎo)體硅片,。2016年至 2018 年，Siltronic實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入 9.33億歐元,、11.77億歐元,、14.57億歐元，2017年,、2018年同比增長26.15%,、23.79%。

　　再看碳化硅基生產(chǎn)主要商家資料,。

　　▲圖六 碳化硅襯底主要生產(chǎn)商家資料

　?。?）Cree

　　Cree成立于1987年，于1993年在美國納斯達(dá)克上市,。Cree的子公司 Wolfspeed 從事碳化硅,、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體襯底、功率器件,、射頻器件等產(chǎn)品的技術(shù)研究與生產(chǎn)制造,；此外，科銳公司還曾從事 LED 芯片及組件等業(yè)務(wù),?？其J公司能夠批量供應(yīng) 4 英寸至 6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線,，目前科銳公司的碳化硅晶片供應(yīng)量位居世界前列,。2020 年 10 月 13 日，科銳公司將 LED 產(chǎn)品業(yè)務(wù)出售,，全力爭取電動汽車,、5G 通信和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的增長機(jī)會。

　?。?）貳陸公司（納斯達(dá)克：IIVI）

　　貳陸公司成立于 1971 年,，是工程材料、光電元件和光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè),，為材料加工,、通信,、航空航天與國防、生命科學(xué),、半導(dǎo)體設(shè)備,、汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供垂直整合解決方案，于 1987 年在美國納斯達(dá)克上市,。貳陸公司能夠提供 4 至 6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底,。目前貳陸公司的碳化硅襯底供應(yīng)量位居世界前列。

　　總結(jié)與展望

　　總結(jié)以上信息可知,，中國的半導(dǎo)體事業(yè)正處于蒸蒸日上百家爭鳴的繁榮快速發(fā)展階段,，目前硅基產(chǎn)品在市場的占有率很大，但是局限性明顯,，碳化硅基片的產(chǎn)品明顯優(yōu)勢很多,，但是相對于硅基其價格、制備難度等等是阻礙其發(fā)展的一大挑戰(zhàn),。