武漢碳化硅的案例
碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路筒單等優點。碳化硅MOSFET的漂移區相對較薄，它的正向導通電阻低，導通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結電容也更小（相對介電常數：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結電容使得器件的開關速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅動器件，驅動功耗較低，而柵氧結構讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統硅IGBT的驅動電路可以直接驅動碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來說明。
當柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導電通路，MOSFET導電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個部分等效電阻串聯組成。
當柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復存在，漏源之間開始具備承受高電壓應力的條件。
展開 數據 | 碳化硅第一股即將上市！企查查數據：我國共有7166家碳化硅相關企業
近日，天岳先進科創板IPO正式啟航，將沖擊碳化硅第一股。企查查數據顯示，目前全國范圍內共有7166家碳化硅相關企業，其中河南省以963家相關企業排名第一，江蘇省、山東省分列二三名。從注冊量上看，近10年全國碳化硅相關企業注冊量總體呈波動下降趨勢，2019年注冊量略有下降，新增679家，同比下降12%。2020年注冊量達486家，同比下降28%。截至目前（6月8日）2021年共新增103家相關企業。從注冊資本上看，47%的企業注冊資本在500萬以內。
2020年共新增碳化硅相關企業486家，今年1-5月新增100家
企查查數據顯示，近10年來我國碳化硅相關企業年注冊量總體呈波動下降趨勢，2014年增速是近10年來最高的，同比增長39%。2018年數量為歷年來最高，達774家。2019年注冊量略有下降，新增679家，同比下降12%。2020年注冊量達486家，同比下降28%。截至目前（6月8日）2021年共新增103家相關企業。
企查查數據顯示，今年1-5月共新增100家碳化硅相關企業，同比下降57%。其中一月注冊量為14家，同比下降58%。二月注冊量為16家，三月注冊量達19家，四月注冊量有所回落，為23家，環比下降21%，同比下降67%。五月注冊量為18家，環比下降22%，同比下降67%。
展開 碳化硅，究竟貴在哪里？
碳化硅半導體，是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料，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，具有開關速度快、效率高的優勢，可大幅降低產品功耗、提高能量轉換效率并減小產品體積，主要應用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領域，在民用、軍用領域均具有明確且可觀的市場前景。我國“十四五”規劃已將碳化硅半導體納入重點支持領域，隨著國家“新基建”戰略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心等新基建領域發揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體是面向經濟主戰場、面向國家重大需求的戰略性行業。
碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領域具有明顯優勢。但是在射頻器件、功率器件領域，碳化硅襯底的市場應用瓶頸為其較高的生產成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產速率慢、產品良率低，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，碳化硅襯底短期內依然較為高昂。例如，目前碳化硅功率器件的價格仍數倍于硅基器件，下游應用領域仍需平衡碳化硅器件的高價格與因碳化硅器件的優越性能帶來的綜合成本下降之間的關系，短期內一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，其成本高限制了其在下端市場的應用場景以及市場滲透，那么碳化硅具體貴在什么地方呢？
展開 碳化硅陶瓷的特種制備技術
碳化硅陶瓷材料具有高溫強度大，高溫抗氧化性強，耐磨損性能好，熱穩定性，熱彭脹系數小，熱導率大，硬度高，抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性。在汽車、機械化工、環境保護、空間技術、信息電子、能源等領域有著日益廣泛的應用，已經成為一種在很多工業領域性能優異的其他材料不可替代的結構陶瓷。
SiC陶瓷的優異性能與其獨特結構密切相關。SiC是共價鍵很強的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12％左右。因此，SiC強度高、彈性模量大，具有優良的耐磨損性能。純SiC不會被HCl、HNO3、H2SO4和HF等酸溶液以及NaOH等堿溶液侵蝕。在空氣中加熱時易發生氧化，但氧化時表面形成的SiO2會抑制氧的進一步擴散，故氧化速率并不高。在電性能方面，SiC具有半導體性，少量雜質的引入會表現出良好的導電性。此外，SiC還有優良的導熱性。
iC具有α和β兩種晶型。β－SiC的晶體結構為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；α－SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業應用上最為普遍的一種。在SiC的多種型體之間存在著一定的熱穩定性關系。在溫度低于1600℃時，SiC以β－SiC形式存在。當高于1600℃時，β－SiC緩慢轉變成α－SiC的各種多型體。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100℃以上的高溫才易生成；對于6H－SiC，即使溫度超過2200℃，也是非常穩定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質的固溶也會引起多型體之間的熱穩定關系變化。
SiC陶瓷的生產工藝簡述如下：
碳化硅粉體的制備技術就其原始原料狀態分為固相合成法和液相合成法。
固相法主要有碳熱還原法和硅碳直接反應法。
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800V“絕配”碳化硅
作者丨王小西
責編丨羅超
編輯丨朱錦斌
10月份，美國《華爾街日報》報道，全球汽車行業正把數以十億美元計的資金投向以碳化硅（SiC）材料制成的芯片。
比如通用汽車公司，其副總裁希爾潘·阿明就表示：“電動汽車用戶正追求更長的續航里程，我們把碳化硅視為電力電子設計中的一種重要材料。”
在說這話之前，通用汽車已經與總部位于達勒姆（北卡羅來納州）的沃爾夫斯皮德公司達成了一項協議，將使用后者生產的碳化硅器件。
而相輔相成的是，碳化硅的崛起，跟汽車行業正在推進的800V高壓平臺系統算是“絕配”。在800V高壓平臺趨近的趨勢下，行業預計，未來幾年SiC功率元器件將隨著800V平臺的大規模上車進入快速爆發階段。
為什么這么說？因為，在800V甚至更高水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，碳化硅則具備耐高壓、耐高溫、高頻等優勢，無疑是IGBT最佳的替代方案。
作為今年熱炒的第三代功率半導體材料，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）應用在更高階的高壓功率元器件以及高頻通訊元器件領域，代表5G時代的主要材料。特別是碳化硅，可謂集“萬千寵愛于一身”。
當然，碳化硅面臨的一大挑戰是它高企的價格。而如何確保以碳化硅芯片實現的成本節約效益，蓋過碳化硅芯片較高生產成本這一不利因素，就成為當下最重要的任務。
展開 碳化硅產業鏈全面梳理
碳化硅下游 -- 器件
下游器件的制造效率越高、單位成本越低。
器件領域國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產，Cree已開始布局8英寸產線，國內企業碳化硅MOSFET還有待突破，產線在向6英寸過渡。
碳化硅器件領域代表性的企業中，目前來看在國際上技術比較領先的是美國的Cree，其覆蓋了整個碳化硅產業鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術。
下游碳化硅器件市場，美國Cree占據最大市場份額，達26%，其次為羅姆和英飛凌，分別占據21%和16%的市場份額。
英飛凌已經推出了采用轉模封裝的1200V碳化硅（SiC）集成功率模塊（IPM），并大規模推出了SiC解決方案。
國內廠商主要有器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣等；模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣目前碳化硅市場處于起步階段。
碳化硅功率器件產業鏈公司梳理：
資料來源：銀河證券
Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規模可達14億美元。
在未來的10年內，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業及電動汽車領域。
資料來源：Yole, 中信建投
碳化硅應用領域
目前碳化硅（SiC）半導體仍處于發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致碳化硅器件可靠性下降。
另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。
汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。
展開 國內碳化硅產業鏈！
碳化硅（SiC）材料是功率半導體行業主要進步發展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預見的未來內，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應用場景。特斯拉作為技術先驅，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術的逐步成熟，碳化硅功率器件行業未來可期。
【什么是碳化硅?】
碳化硅（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體產業的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料（碳化硅、氮化鎵） 。碳化硅因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。
【碳化硅的物理化學性能】
碳化硅在半導體芯片中的主要形式為襯底。半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件” 結構。碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。
碳化硅晶片是碳化硅晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。
碳化硅晶片作為半導體襯底材料，經過外延生長、器件制造等環節，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。
根據電阻率不同，碳化硅晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場規模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領域，隨著 5G 通訊網絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。
展開 豐田電裝大舉進軍碳化硅
相比之下，碳化硅在高溫、高頻和高壓環境中具有卓越的性能，有助于顯著降低逆變器的功率損耗、尺寸和重量。因此，SiC 器件因其加速車輛電氣化而受到關注。
電裝指出，與采用硅功率半導體的傳統產品相比，采用公司碳化硅功率半導體的升壓功率模塊體積縮小了約 30%，功率損耗降低了 70%。這就可以讓產品變得更小，車輛燃油效率得到提高。
電裝工程師也表示，與硅相比，碳化硅的電阻低，因此電流更容易流動。由于這種特性，一個原型 SiC 器件被突然的大電流浪涌損壞。為此電裝的多部門合作討論如何在充分利用 SiC 的低損耗性能的同時防止損壞市場上的設備，并以一個我們部門無法單獨提出的想法解決了這個問題：使用特殊的驅動器 IC 高速切斷電流。
碳化硅專利：電裝排第五
據日經報道，日美企業壟斷了新一代半導體材料碳化硅（SiC）相關專利的前5位。從事專利分析的日本Patent Result公司的統計顯示，涉足碳化硅半導體基板的美國科銳（Cree)排在首位，第2～5位是羅姆和住友電氣工業等日本企業。
根據截至7月29日發布的美國專利數據，通過數量和關注度計算了分數。碳化硅被用作替代現有的硅半導體基板材料，有助于提高功率半導體的性能和節能化。在純電動汽車（EV）和光伏發電系統的逆變器等領域，碳化硅的應用范圍不斷擴大。在脫碳化社會之下，需求有望擴大。
Patent Result的分析顯示，排在首位的美國科銳在碳化硅基板和結晶化的專利方面具有優勢。第2位的羅姆和第5位的電裝在降低電力損耗方面有優勢，第3的住友電工強于碳化硅的結晶結構，第4的三菱電機在半導體器件結構方面有優勢。
電裝還有更遠大的目標
在2019年，豐田與電裝聯合宣布將成立一個新的合資企業。
展開 碳化硅“狂飆”：追趕、內卷、替代
士蘭微董事長陳向東曾在接受采訪時表示，通過發揮IDM一體化優勢，士蘭微碳化硅功率器件芯片量產線進展順利，已具備月產2000片6英寸SiC芯片的生產能力，預計到今年年底SiC芯片生產能力將提升至6000片/月；士蘭SiC MOS芯片性能指標已達到國際先進水平；士蘭微用于汽車主驅的碳化硅功率模塊已向國內客戶送樣，爭取在今年年底前上車，同時士蘭微碳化硅產品在光伏、儲能、充電樁、OBC等領域也已展開全面推廣。
更多的廠商嗅到了SiC代工的商機。2023年5月22日，安徽長飛先進宣布其位于武漢的SiC晶圓廠正式啟動，據悉該項目規模達年產36萬片SiC MOSFET晶圓，包括外延、器件設計、晶圓制造、封裝等，預計2025年建設完成。
瞻芯電子也于2020年初啟動了碳化硅芯片晶圓廠項目籌備，該工廠于2022年7月正式投片生產，標志著瞻芯電子由Fabless邁向IDM的戰略轉型。
國內SiC功率器件的廠商大多有向IDM模式演進的趨勢。
但IDM模式也并非適用于任何企業。有業內人士指出，目前國內很多碳化硅廠商體量并不大，尚未實現盈利，若是大規模建廠的話，運營成本太高，對現金流的考驗非常大，工藝開發的難度和客戶認可度也是問題。
因此，仍有一部分碳化硅廠商堅持采用Fabless的經營模式發展。實際上，如果能得到代工廠的支持，Fabless廠商在設計方面確實更具靈活性，在碳化硅MOS方面的研發進程也較快。同時，代工廠的資質也可以為其供應鏈可靠性背書。
以芯粵能為例，其商業模式就是打造開放式Foundry平臺，面向整個的市場提供代工服務，與整個產業鏈協同發展。
展開 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優化零部件在車上的布置，節省更多的空間。
特斯拉Model 3 電驅動模塊：采用24 顆意法半導體碳化硅器件，豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動車，豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應商，目前是三菱或富士在爭取這些業務和豐田開展合作。
碳化硅產業鏈條核心：外延技術
01
碳化硅外延
外延
工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝，由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現，所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產業的中間環節，對產業的發展起到非常關鍵的作用。
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。
碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。
在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。
02
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。
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了解何為碳化硅行業
《一文看懂碳化硅行業》-馭勢資本
2.《碳化硅產業鏈深度解析》-樂晴智庫精選
3.《第三代半導體碳化硅行業深度研究報告》-中信建投證券
碳化硅的化學機械拋光
舉個例子：
文稿來源：
Rad聊碳化硅
參考文獻：
2017 影響化學
機械拋光4H導電SiC晶片表面質量的關鍵參數研究 郭鈺 人工晶體學報 天科合達
氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
碳化硅 MOSFET結構及其特性
碳化硅MOSFET的結構
常見的平面型
(Planar)
碳化硅MOSFET的結構如圖9所示。為了減小通道電阻，這種結構通常設計為很薄的門極氧化層，由此帶來在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風險。為了解決這個問題碳化硅MOSFET 產品CoolSiC采用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型
（Trench）
碳化硅MOSFET，其門極結構如圖10所示。采用此結構后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，那么可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。
展開 資訊 | 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
01 碳化硅外延
外延工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝，由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現，所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產業的中間環節，對產業的發展起到非常關鍵的作用。
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產出比較低，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。
碳化硅外延過程和硅基本上差不多，在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。
在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。
02 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。
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