碳化硅(SiC)的案例
碳化硅(SiC)的前世今生！
其中，SiC、GaN 電力電子產值規模達 44.7 億元，同比增長 54%；GaN 微波射頻產值達到 60.8億元，同比增長 80.3%。
近年來，國內在第三代半導體及其襯底方面為了趕上國外的步伐投入很大，但僅分散在功率器件應用領域；IDM和代工服務方面，與國際上量產6英寸，正在建設8英寸量產工廠的水平還存在差距。另外，門檻更高的碳化硅將長期以IDM為主，在美日兩家獨大的產業格局下，中國廠商的機會也受到了一定的擠壓。
在我國政策力度的帶動下，國內第三代半導體材料的主流企業積極布局，市場容量擴大且產業鏈合作水平不斷提高。中電科55所已是國內少數從4-6寸碳化硅外延生長、芯片設計與制造、模塊封裝領域實現全產業鏈的企業單位。而泰科天潤已經量產SiC SBD，產品涵蓋600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半導體則擁有3D SiC技術，推出了1200V SiC MOSFET產品。瀚薪獨創集成型碳化硅JMOSFET結構技術，推出全球唯一量產的SiC JMOS產品，實現了碳化硅的DMOSFET和JBS（肖特基二極管）的芯片內集成。另外值得關注的是，近年來，SiC晶片作為襯底材料的應用正在逐步走向成熟，成本呈現明顯下降趨勢，具備了大規模產業化應用的基礎。
2. 碳化硅(SiC)的前世今生！
SiC作為半導體材料具有優異的性能，尤其是用于功率轉換和控制的功率元器件。與傳統硅器件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車、鐵路、工業設備和家用消費電子設備中倍受歡迎。雖然SiC最后通過人工合成可以制造，但因加工極其困難，所以SiC功率元器件量產化曾一度令研究者們頭疼。
※ 啥是碳化硅（SiC）？
展開 碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰是寬禁帶(WBG)材料的未來？
其中，新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅動因素，主要的應用器件有功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉換器、車載充電器等。
這兩種材料可以制造許多有趣的設備。我們目前看到氮化鎵被用于低功率/電壓，高頻率的應用中，而碳化硅被用于高功率，高電壓開關電源的應用中。由于SiC已發展十多年了，GaN功率元件是個后進者，因此僅管GaN元件市場直起急追，但相較于前者，其市場仍遠遠落后。
不過現在只是第三代半導體產業發展的前期，隨著近年來全球對于都市基礎建設、新能源、節能環保等方面的政策支持，對SiC/GaN等高性能功率元件的需求勢必會增大。因此相信在未來，無論是SiC還是GaN一定都能扮演比現在更重要的角色并融入各自的商業市場中。
3
市場方面
近日，Yole Développement(Yole)估計了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這些寬帶隙材料的總體應用情況。當前，盡管硅在市場上仍占主導地位，但碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件在某些應用中已經是更有效的解決方案。
除意法半導體之外，碳化硅(SiC)領域的玩家還有英飛凌、羅姆和安森美，應用領域主要是工業和汽車。
展開 一文看懂碳化硅（SiC）產業鏈
全球碳化硅市場呈現寡頭壟斷局面，歐美日企業領先美國全球獨大，全球SiC產量的70%~80%來自美國公司。
海外碳化硅單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等。其中CREE、II-VI等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產線。
國內企業也在積極研發和探索碳化硅器件的產業化，已經形成相對完整的碳化硅產業鏈體系。中國企業在單晶襯底方面以4英寸為主，目前已經開發出了6英寸導電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。以天科合達和山東天岳為主的SiC晶片廠商發展速度較快，市占率提升明顯。三安光電在SiC方面也在深度布局。
山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。
華潤微擁有3條6英寸產線和一條正在建設的12英寸產線，并擁有國內首條實現商用量產的6英寸碳化硅晶圓生產線。
露笑科技2020年引進碳化硅重磅研發團隊并聯合合肥政府共同投資碳化硅。
碳化硅中游——外延
外延常用PECVD法制造。
國外外延片企業主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、羅姆、三菱電機、英飛凌等；器件方面相關主要企業包括英飛凌、CREE、羅姆、意法半導體等。
國內從事外延片生長的企業包括廈門瀚天天成和東莞天域半導體等；從事碳化硅器件設計制造的企業包括泰科天潤、華潤微、綠能芯創、上海詹芯、基本半導體、中國中車等。
展開 功率半導體組件的主流爭霸戰 —— 硅、碳化硅、氮化鎵的三角習題
第三類化合物半導體提供更多選擇
第三類化合物半導體-碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料興起，有助解決傳統硅基組件遭遇的困境。第三類化合物半導體具備耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性，可以廣泛應用于高功率、高頻和高溫電子電力系統，如電動車及電動車充電設備、大型風力發電機、太陽能板逆變器、數據中心、手機快充、太空衛星、行動基地臺等領域。
碳化硅（SiC）最大的優勢在于高溫與高崩潰電壓耐受力；氮化鎵（GaN）的穩定性高，熔點高達1700度，除了穩定性、耐高溫、耐高壓等優勢，同時擁有良好的導電性與導熱性，多應用于變壓器和充電器等領域，如需要較大電壓的筆電、平板，以及需要較小電壓的手機和手表充電產品，能有效縮短充電時間。氮化鎵（GaN）組件的切換速度是硅基組件的10倍以上，相較于Si，更適合高頻率、高效率的電子產品，包含5G產品。
圖一 : 小米生產的GaN 65W快充充電器。（source：小米）
隨著2050年凈零碳排（Net Zero）目標逼近，各國在交通政策與產業推動上都朝燃油車電氣化的方向邁進，帶動整體電動車產業。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）能同時應用于汽車產業，尤其碳化硅（SiC）在車載領域及可靠性上更具優勢，在電動車的系統應用方面主要包含逆變器、車載充電器（OBC）及直流變壓器等。相較于傳統硅基模塊效能，碳化硅（SiC）可減少約50%的電能轉換損耗，降低約20%的電源轉換系統成本，提升電動車約4%的續航力。
龍頭大廠帶動第三代半導體產能
電動車的充電設備及充電基礎設施都需要更高效能的組件。林若蓁指出，碳化硅（SiC）組件市場主要由汽車產業主導，比方特斯拉（Tesla）電動車款Model 3率先應用意法半導體生產的SiC MOSFET，帶動多家電動車廠商導入SiC材料。
展開 
智芯研報 | 碳化硅(SiC)：提升分布式太陽能發電能效的秘密武器
SiC的優勢
碳化硅(SiC)因帶隙寬，在太陽能管理中比硅具有多種材料優勢，導熱率幾乎是硅的3倍。這意味著SiC器件承受的擊穿電場幾乎是硅的10倍，從而使SiC器件與類似結構的硅相比，能夠在高得多的電壓下高效地工作。SiC器件還具有比硅低得多的導通電阻、柵極電荷和反向恢復電荷特性，以及更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件與硅同等器件相比，可以以更高的電壓、頻率和電流來開關，同時更高效地管理熱量累積。
SiC用來制造不宜用硅制造的器件。MOSFET在開關應用中受到青睞，因為它們是單極器件，這意味著它們不使用少數載流子。硅雙極型器件既使用多數載流子又使用少數載流子，可以在比硅MOSFET更高的電壓下工作，但由于它們在開關時需要等待電子和空穴重新結合以及耗散重組能量，因此其開關速度變慢。
硅MOSFET廣泛用于高達約300 V的開關應用中，高于該電壓時，器件的導通電阻上升的程度使設計人員不得不轉向速度較慢的雙極器件。SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅更高電壓的MOSFET，同時保留了低壓硅器件的快速開關優勢。開關性能也相對不受溫度影響，從而在系統升溫時實現穩定的性能。
由于功率轉換效率與開關頻率直接相關，因此，SiC既能比硅處理更高的電壓，又能確保高轉換效率所需的高速開關。
SiC的導熱系數是硅的三倍，因此可以在更高的溫度下工作。硅在175°C左右不再充當半導體，在200°C左右成為導體，而SiC直到達到1000°C時才會變成導體。SiC的熱特性優勢可用于兩方面。首先，它可用于制造比等效硅系統需要更少冷卻的功率轉換器。
展開 中美第三代半導體材料技術對比
圖8 中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利重點申請人top10
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
5. 專利布局分析
美國對涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利的對外布局十分重視，超90%的專利擁有2個以上同族，同族數最高超過18。而中國85%的專利僅在本土申請，未進行對外布局，這不僅體現了我國專利對外布局意識的薄弱，還在一定程度上說明了該領域專利申請存在量大質低的問題。
圖9 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利同族數分布
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
6. 未來前景分析
表1 近五年中國第三代半導體領域相關活動及政策
日期
相關活動與政策
2021年8月
8月14日，工信部宣布將碳化硅(SiC)復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃。
2021年5月
國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議召開，會上討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。
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圖8 中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利重點申請人top10
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
5. 專利布局分析
美國對涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利的對外布局十分重視，超90%的專利擁有2個以上同族，同族數最高超過18。而中國85%的專利僅在本土申請，未進行對外布局，這不僅體現了我國專利對外布局意識的薄弱，還在一定程度上說明了該領域專利申請存在量大質低的問題。
圖9 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利同族數分布
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
6. 未來前景分析
表1 近五年中國第三代半導體領域相關活動及政策
日期
相關活動與政策
2021年8月
8月14日，工信部宣布將碳化硅(SiC)復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃。
2021年5月
國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議召開，會上討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。
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圖8 中國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利重點申請人top10
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
5. 專利布局分析
美國對涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利的對外布局十分重視，超90%的專利擁有2個以上同族，同族數最高超過18。而中國85%的專利僅在本土申請，未進行對外布局，這不僅體現了我國專利對外布局意識的薄弱，還在一定程度上說明了該領域專利申請存在量大質低的問題。
圖9 中美兩國涉及氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的半導體相關專利同族數分布
數據來源：大為innojoy專利檢索系統
檢索日期：2021年10月8日
6. 未來前景分析
表1 近五年中國第三代半導體領域相關活動及政策
日期
相關活動與政策
2021年8月
8月14日，工信部宣布將碳化硅(SiC)復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃。
2021年5月
國家科技體制改革和創新體系建設領導小組第十八次會議召開，會上討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。
展開 “第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車
而在新能源汽車及直流充電樁技術快速發展的背后，是以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體材料的應用在發揮巨大作用。
第三代半導體指的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化物半導體（如氧化鋅ZnO）、III族氮化物（如氮化鋁AlN）、金剛石半導體等寬禁帶半導體材料。相較于第一代半導體材料（硅、鍺）與第二代半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代半導體的內部結構穩定，具有許多非常優異的特性，如高擊穿電場、高熱導率、高溫穩定性、高功率、抗高壓、高電子飽和速率以及抗強輻射能力等優勢，能夠滿足5G通信、快充、新能源汽車主控電路等新興領域的需求。
第三代半導體材料已經在基站射頻、功放等通信領域嶄露頭角，2021年，隨著“十四五”規劃的提出，中國將加速推動第三代半導體新材料新技術產業化進程，受益于功率轉換的極大應用潛力，第三代半導體開始進入新一輪的增長周期。
其中，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是第三代半導體中發展最為成熟的兩個品類。碳化硅（SiC）具有工作溫度更高、開關和導通損耗更低的特性，適合太陽能逆變器、工業電源以及新能源汽車主控電路。
具體來說，碳化硅（SiC）可作為襯底主要應用在功率半導體與射頻半導體領域，而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括：結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。眾多新能源車企已經開始將SiC應用于其新能源汽車的主控電路中。
展開 Arche啟動韓國首個碳化硅SiC Epi晶圓量產，用于電動汽車等電力產品領域
CINNO Research產業資訊，SiC(碳化硅)材料專業廠商Arche啟動硅碳化(SiC)核心材料國產化。
1月26日，Arche在京畿道華城市安寧洞Arche公司總部舉行“開幕式（Opening Ceremony ）”活動，宣布SiC Epi晶圓開始量產。
出席此次活動的有國會議員楊向茲(半導體特委會主席)、高振委員長(總統直屬數字平臺委員會)、前國會議員金炳寬，成均館大學校長劉志凡，前三星顯示器副總裁邱惠勇等。
Arche公司成立于2014年，是一家專注于通過蒸鍍SiC Epi，為半導體設備廠商供應SiC材料的專業廠商。成果開發出電力半導體核心技術之一SiC Epitaxy（Epi）晶圓。去年成功引進了100億韓元（約5496萬人民幣）的投資，今年開始預計將正式產生銷售額。
基于SiC的電力半導體市場一般按照SiC晶圓→SiC Epi→芯片廠商→模組→需求企業的結構構成價值鏈。Arche生產從晶圓到芯片的中間過程SiC Epi晶片，并供應給芯片廠商。
Arche目前擁有德國芯片設備制造商愛思強（Aixtron）生產的G4蒸鍍設備。Arche方面進一步引進了新的G5蒸鍍設備(MOCVD)，預計3月份完成建設。在完成對相關設備的爬坡及良率穩定工作后，預計從今年第四季度開始正式量產產品。
展開 智芯研報 | 碳化硅SiC功率器件在電動汽車中的研究與應用
而實際上還有一類半導體是基于化合物晶體制造的，SiC(碳化硅)半導體就是其中之一。
由于相比硅基半導體在材料特性上有所差異，SiC(碳化硅)半導體具備比硅基半導體更好的高頻、大功率、高輻射性能。
什么是SiC?
碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。
碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內經高溫冶煉而成。
目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。
黑碳化硅是以石英砂,石油焦和優質硅石為主要原料,通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉,性脆而鋒利。
綠碳化硅是以石油焦和優質硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉。
碳化硅(SiC)由于其獨特的物理及電子特性, 在一些應用上成為最佳的半導體材料: 短波長光電器件, 高溫, 抗幅射以及高頻大功率器件，其主要特性及與硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的對比如下。
寬能級(eV)：
4H-SiC: 3.26
6H-Sic: 3.03
GaAs: 1.43
Si: 1.12
由于碳化硅的寬能級, 以其制成的電子器件可在極高溫下工作，這一特性也使碳化硅可以發射或檢測短波長的光, 用以制作藍色發光二極管或幾乎不受太陽光影響的紫外線探測器。
展開 
RS瑞森半導體碳化硅二極管在光伏逆變器的應用
一、前言
碳化硅 (SiC) 是一種由硅 (Si) 和碳 (C) 組成的半導體化合物，屬于寬帶隙 (WBG) 材料系列。它的物理結合力非常強，使半導體具有很高的機械、化學和熱穩定性。寬帶隙和高熱穩定性允許 SiC器件在高于硅的結溫下使用，甚至超過 200°C。碳化硅在功率應用中的主要優勢是其低漂移區電阻，這是高壓功率器件的關鍵因素。
二、碳化硅產品特點
碳化硅(SiC)具有寬禁帶(Si的3倍)、高熱導率(Si的3.3倍)、高的臨界擊穿電場(Si的10倍)、高飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及高健合能等優點，這就使得碳化硅材料可以很好地適用于高性能(高頻、高溫、高功率、抗輻射)電子器件。
展開 智芯研報 | 碳化硅(SiC)：提升分布式太陽能發電能效的秘密武器！
SiC的優勢
碳化硅(SiC)因帶隙寬，在太陽能管理中比硅具有多種材料優勢，導熱率幾乎是硅的3倍。這意味著SiC器件承受的擊穿電場幾乎是硅的10倍，從而使SiC器件與類似結構的硅相比，能夠在高得多的電壓下高效地工作。SiC器件還具有比硅低得多的導通電阻、柵極電荷和反向恢復電荷特性，以及更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件與硅同等器件相比，可以以更高的電壓、頻率和電流來開關，同時更高效地管理熱量累積。
SiC用來制造不宜用硅制造的器件。MOSFET在開關應用中受到青睞，因為它們是單極器件，這意味著它們不使用少數載流子。硅雙極型器件既使用多數載流子又使用少數載流子，可以在比硅MOSFET更高的電壓下工作，但由于它們在開關時需要等待電子和空穴重新結合以及耗散重組能量，因此其開關速度變慢。
硅MOSFET廣泛用于高達約300 V的開關應用中，高于該電壓時，器件的導通電阻上升的程度使設計人員不得不轉向速度較慢的雙極器件。SiC的高擊穿電壓意味著它可以用來制造比硅更高電壓的MOSFET，同時保留了低壓硅器件的快速開關優勢。開關性能也相對不受溫度影響，從而在系統升溫時實現穩定的性能。
由于功率轉換效率與開關頻率直接相關，因此，SiC既能比硅處理更高的電壓，又能確保高轉換效率所需的高速開關。
SiC的導熱系數是硅的三倍，因此可以在更高的溫度下工作。硅在175°C左右不再充當半導體，在200°C左右成為導體，而SiC直到達到1000°C時才會變成導體。SiC的熱特性優勢可用于兩方面。首先，它可用于制造比等效硅系統需要更少冷卻的功率轉換器。
展開 哈勃投的第四家碳化硅企業，為什么選擇做SiC外延的它？
SiC外延重要性
SiC外延片是SiC產業鏈條核心的中間環節
目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。
碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。實際應用中，寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底，包括GaN外延層的襯底。
我國SiC外延材料研發工作開發于“九五計劃”，材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等，產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現商業化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。
碳化硅材料的特性從三個維度展開：
1.材料的性能，即物理性能：禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。
2. 器件性能：耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統和器件產品中。
3.
展開 第三代半導體的明日之星-SiC碳化硅
來源：碳化硅SiC半導體材料
作者：漢民
汽車業的世紀革命：電動車
世界第一臺汽車，在1885年問世。汽車產業發展至今，電動車所帶來的世紀革命已然成型。隨著各國的綠能政策推動、碳排放標準的限制，電動車銷售量預估到2030年將達到2200萬輛，市場規模成長近10倍。美國與歐洲，多國政府領袖宣布將于2035年，汽車全面采用干凈能源。
根據統計，2020年，全球汽車與其周邊產業的年產值約為4兆美元，是半導體產業年產值4,250億美元的10倍。一個龐大的電動車市場快速成長，將使傳統汽油動力推動的汽車產業解構，半導體產業將出現巨大新需求。
傳統汽車的耗油率是由引擎決定，未來電動車的續航力則是由第三代半導體SiC技術決定。
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