【详解】华为认为中高压SiC器件成熟在即 相关仪器设备需求或爆发

2020年12月29日，华为数字能源产品线产业暨技术论坛在深圳成功召开，其中在30日的车载电源分论坛 “聚力高压化发展，共擎电动化未来”，吸引了新能源汽车行业上百位技术专家、企业代表、生态伙伴的参与。论坛上来自于行业组织、桩企头部企业、车企等代表就高压快充的发展趋势和未来机遇进行了较为深入的探讨。

会议上，华为车载电源产品线总裁王超介绍了中国新能源汽车的超级快充趋势，并表示，预计2024年左右，基于1200V和1700V碳化硅器件的成熟，会帮助产业在7.5分钟快充体验上实现质的飞跃。

碳化硅为第三代半导体的主要代表之一，拥有禁带宽度大、器件极限工作温度高、临界击穿电场强度大、热导率等显著的性能优势，在电动汽车、电源、军工、航天等领域备受欢迎，为众多产业发展打开了全新的应用可能性，被行业寄予厚望。那么，碳化硅究竟是何方神圣呢？

性质优良的碳化硅材料

碳化硅（SiC）又叫金刚砂，密度是3.2g/cm 3 ，天然碳化硅非常罕见，主要通过人工合成。按晶体结构的不同分类，碳化硅可分为两大类：αSiC和βSiC。

在热力学方面，碳化硅硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3，是最硬的物质之一，可以用于切割红宝石；导热率超过金属铜，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其热稳定性高，在常压下不可能被熔化；在电化学方面，碳化硅具有宽禁带、耐击穿的特点，其禁带宽度是Si的3倍，击穿电场为Si的10倍；且其耐腐蚀性极强，在常温下可以免疫目前已知的所有腐蚀剂。

随着碳化硅单晶生长和加工技术的进步，碳化硅单晶抛光片产量在快速增长。碳化硅（SiC）作为发展最为成熟的第三代半导体，是半导体界公认的“一种未来的材料”，是发展第三代半导体产业的关键基础材料。预计在今后 5～10 年将会快速发展和有显著成果出现。碳化硅具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及高抗辐射性能的优点，可以突破硅作为基片的半导体器件性能和能力极限，是电力电子及微波射频器件的“CPU”、绿色经济的“核芯”，在新一代移动通信 、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景。

碳化硅制备产业链

宽禁带半导体晶片和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，大致可分为以下几个阶段：晶体生长、晶片加工、器件制备（包括有源层制备、欧姆接触、钝化层沉积等工艺段）、器件封装等。具体的碳化硅功率器件生产过程如下，

1.碳化硅高纯粉料合成

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.单晶衬底制备

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.外延片生长

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。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。

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.功率器件制造

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。按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样，均采用微电子工艺加工而成。

碳化硅产业链设备

半导体制造离不开半导体设备，碳化硅产业链更是如此，其涉及的设备种类繁多。碳化硅的很多工艺段设备可以与硅基半导体工艺兼容，但由于宽禁带半导体材料熔点较高、硬度较大、热导率较高、键能较强的特殊性质，使得部分工艺段需要使用专用设备、部分需要在硅设备基础上加以改进。相关工艺及半导体制造设备如下，

国内碳化硅产业链企业

目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期，但国际厂商已实现多个环节规模量产技术瓶颈的突破，并已摩拳擦掌、即将掀起一场大战，而国内碳化硅产业仍处于起步阶段，与国际水平仍存在差距。

不过，近年来国内已初步建立起相对完整的碳化硅产业链体系，IDM厂商中车时代电气、世纪金光、泰科天润、扬杰电子等，单晶衬底企业山东天岳、天科合达、同光晶体等，外延片企业天域半导体、瀚天天成等，部分厂商已取得阶段性进展。

单晶衬底方面，目前国内可实现4英寸衬底的商业化生产，山东天岳、天科合达、同光晶体均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

外延片方面，国内瀚天天成和天域半导体均可供应4-6英寸外延片，中电科13所、55所亦均有内部供应的外延片生产部门。

器件方面，国内600-3300 V SiC SBD已开始批量应用，有企业研发出1200V/50A SiC MOSFET；泰科天润已建成国内第一条碳化硅器件生产线，SBD产品覆盖600V-3300V的电压范围；中车时代电气的6英寸碳化硅生产线也于今年1月首批芯片试制成功。

模块方面，国内已开发出1200V/50-400A全SiC功率模块、600-1200V/100-600A混合SiC功率模块；今年9月18日，厦门芯光润泽国内首条碳化硅 IPM产线正式投产。

碳化硅功率器件应用领域

碳化硅功率器件不仅能够在直流、交流输电，不间断电源，工业电机等传统工业领域广泛应用，而且在新能源汽车、太阳能光伏、风力发电等领域具有广阔的潜在市场。

碳化硅功率器件应用领域可以按电压划分：

低压应用（600 V至1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、智能手机、电子镇流器等）以及其他领域（如医疗、电信、国防等）

中压应用（1.2kV至1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动AC Drive）等。

高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

由于能源和环境问题日益凸显，节能环保和低碳发展逐渐成为全球共识。降低能耗、提高能源使用效率是当今世界各国节能减排的重大举措。

以碳化硅为代表的宽禁带半导体材料及功率器件被公认将成为电子电力应用的一次革命，受到世界各国政府与产业界的广泛关注和高度重视，将成为增长潜力巨大的战略性产业。

碳化硅的检测

碳化硅功率器件的生产离不开检测，只有通过对各个生产环节的检测才能不断提高良率和工艺水平。碳化硅的检测主要包括衬底检测、外延片检测、器件工艺、点穴参数、可靠性分析和失效分析。

碳化硅相关标准

无规矩不成方圆，只有有了规矩，有了标准，这个世界才变得稳定有序！标准是科学、技术和实践经验的总结。为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，即制定、发布及实施标准的过程，称为标准化。

为规范碳化硅半导体材料的发展，相关组织和机构也出台了一系列的标准。（以下碳化硅标准只统计其作为半导体材料的现行相关标准）合计35项标准，其中国标7项，地方标准2项，联盟标准20项和行业标准6项。

值得注意的是，目前新的《碳化硅单晶抛光片》国家标准正在征求意见，以替代GB/T 30656-2014标准，届时将有一批新的标准出台。

国内碳化硅研究现状

国内碳化硅半导体材料与国外企业的技术水平相差较大，但与前两代半导体技术不同，国内不少专家认为我国有望在以碳化硅为代表的第三代半导体领域实现弯道超车。《中国制造2025》和“十三五规划”也明确将碳化硅行业定位为重点支持行业。国家电网、中国中车、比亚迪、华为等国内企业也在加大针对碳化硅在智能电网、轨道交通、电动汽车、手机通信芯片等领域应用的投资。

国内SiC单晶的研究始发于2000年，主要研究单位有中科院物理研究所、山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中电集团46所等。以相关的技术为基础，能批量生产单晶衬底的公司包括北京天科合达、山东天岳、河北同光等。目前，国内已经生产出6英寸SiC单晶，微管密度和国际产品相当，一定程度上可满足国内半导体器件制备的需求，但我国SiC单晶衬底质量与国际先进水平相比还存在巨大差距。

SiC外延材料研发工作开始于“九五计划”，材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等，产业化公司主要是东莞天域和厦门瀚天天成。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本实现商业化。可以满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。不过，还不能满足研制10kV及以上电压等级器件和研制双极型器件的需求。

国内近年来西安理工大学、西安电子科技大学微电子所、中科院半导体所、上海硅酸盐所等单位一直坚持不懈进行碳化硅材料及其器件的研究，但从市场上市产品来看，多数为SiC肖特基二极管、其参数大致范围为：击穿电压为600V、1200V、1700V等级别。

学术论文一定程度上可以反映出各高校的研究方向和研究水平，以中国知网的相关论文为参考，可以间接反映出国内碳化硅的研发情况。分别以主题为【碳化硅AND功率器件】、【碳化硅AND半导体】以及【碳化硅AND半导体】进行检索，结果如下，

知网检索：主题=碳化硅AND主题=功率器件

知网检索：主题=碳化硅AND主题=功率半导体

知网检索主题=碳化硅AND主题=半导体

从结果来看，西安电子科技大学、电子科技大学和浙江大学遥遥领先，在碳化硅研究领域，成果较多。

SiC目前存在的问题

尽管碳化硅功率器件应用前景广阔，但是目前受限于价格过高等因素，迄今为止，市场规模并不大，应用范围并不广，主要集中于光伏、电源等领域。

在碳化硅单晶材料领域，存在大尺寸碳化硅单晶衬底制备技术仍不成熟；缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术；P型衬底技术的研发较为滞后等问题。

在碳化硅外延材料领域，还有N型碳化硅外延生长技术有待进一步提高、P型碳化硅外延技术仍不成熟等问题亟待解决。

在碳化硅器件应用领域，存在驱动技术尚不成熟；保护技术尚不完善；电路应用开关模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的开关特性，尚不能对碳化硅器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导；电磁兼容问题尚未完全解决；电路拓扑尚不够优化等问题。

在碳化硅功率模块领域，存在采用多芯片并联的碳化硅功率模块产生较严重的电磁干扰和额外损耗；在焊接、引线、基板、散热等方面的创新不足，功率模块杂散参数较大，可靠性不高；碳化硅功率高温封装技术发展滞后等问题。

整体而言，碳化硅作为半导体材料的研发和应用尚处于发展状态，还有许多不足之处。

SiC的可能替代材料

虽然碳化硅受到的关注度越来越高，在未来的大功率、高温、高压应用场合将发挥传统的硅器件无法实现的作用，但却并不是终点。以金刚石、氧化镓、氮化铝、氮化硼等为代表的超宽禁带半导体材料（禁带宽度＞4.5 e V）的研究和应用，近年来不断获得技术的突破，未来有望打造具有更优异性能的功率器件，取代目前碳化硅的地位。

氧化镓（Ga2O3）是一种新兴的功率半导体材料，其禁带宽度（4.9eV）大于碳化硅（约3.4eV），在高功率应用领域的应用优势愈加明显。尽管Ga2O3半导体材料具有良好的射频性能以及高功率等许多优势，但同时还具有很多需要克服的障碍。Ga2O3的导热率很低，这在高功率密度应用中尤为凸显。Ga2O3存在的另一个缺点就是缺乏p型掺杂机制，从理论上看，这可能会是一个影响其应用的根本问题。

金刚石具有高硬度、超宽带隙、出色的载流子迁移率和优异的导热性能，是实现“后摩尔”时代电子、光电子和量子芯片的基础性材料之一，已是业界公认的“终极”半导体材料。具有如此多优良性能的半导体材料目前正成为国际竞争的新热点。近日，哈尔滨工业大学与香港城市大学、麻省理工学院等单位合作，在金刚石单晶领域取得重大科研突破，首次通过纳米力学新方法，通过超大均匀的弹性应变调控，从根本上改变金刚石的能带结构，为实现下一代金刚石基微电子芯片提供了一种全新的方法。