作者：中科招商风控张博团队
前言
以硅(Si)、砷化镓(GaAs)为代表的第一代和第二代半导体材料的高速发展，推动了微电子、光电子技术的迅猛发展。然而受材料性能所限，这些半导体材料制成的器件大都只能在200℃以下的环境中工作，不能满足现代电子技术对高温、高频、高压以及抗辐射器件的要求。
作为第三代宽带隙半导体材料的代表，碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大(~Si的3倍)、热导率高(~Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(~Si的2.5倍)和击穿电场高(~Si的10倍或GaAs的5倍)等性质。SiC器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势，弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。
一、半导体基本情况介绍
1. 半导体材料
半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mcm～1Gcm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体是一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。
2. 半导体材料的分类
常见的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。
元素半导体是以单一元素组成的半导体，属于这一材料的有硼、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等，其中以锗、硅、锡研究较早，制备工艺相对成熟。
化合物半导体是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。
3. 半导体材料的发展历程
目前的半导体材料已经发展到第三代。第一代半导体材料主要以硅（Si）、锗（Ge）为主，20世纪50年代，Ge在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被Si器件取代。
用Si材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。Si储量极其丰富，提纯与结晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的纯度很高，绝缘性能很好，这使器件的稳定性与可靠性大为提高，因此Si已经成为应用最广的一种半导体材料。
目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。
20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。
第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等，因其禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。
是半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。
半导体材料性能对比表
材料性能
SiC
SiC
GaAs
禁带宽度（eV）
2.2-3.3
1.12
1.43
击穿电压（105V/cm）
3.0-5.0
0.25
0.50
热导率（W/cm.K）
4.9
1.35
0.45
饱和载流子速率Vsat（107cm/s）
2.0
1.0
1.0
二、半导体产业链分析
图片来源：中泰证券研究所
三、碳化硅研究分析
1. 碳化硅简介
SiC晶体结构具有同质多型的特点，其基本结构是Si-C四面体结构。它是由四个Si原子形成的四面体包围一个碳原子组成，按相同的方式一个Si原子也被四个碳原子的四面体包围，属于密堆积结构。
图 SiC的Si/C四面体结构示意图
2. 碳化硅历程表
1905年 第一次在陨石中发现碳化硅
1907年 第一只碳化硅晶体发光二极管诞生
1955年 理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子材料
1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流
1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。
2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。
2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。
到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。
3. 碳化硅器件的优势特性
碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。
与普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：
高压特性
碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍
碳化硅肖特基管耐压可达2400V。
碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。
高频特性
高温特性
在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。
4. 碳化硅(SiC)的应用
SiC特性
应用器件
宽带隙
蓝光LED
激光二极管
抗辐射器件
超低漏电流器件
高击穿电场
高压大功率开关二极管
可控电力电子器件
空间应用的大功率器件
高热导率
良好的散热大功率器件
高密度器件集成
电子迁移塑料高（GaN）饱和电子漂移速率高
高频IC器件
目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都有由硅材料制作的。发展至今，硅材料已经具有一定的局限性，尤其在极端条件下，第三代半导体的性能远远优于硅材料，这其中SiC技术被公认为最成熟的技术，有着广泛的应用。
图 SiC器件的应用领域
5. 国外厂商情况
第三代半导体材料是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑，是全球战略竞争新的制高点。美、日、欧等各国积极进行战略部署。
美国：2014年1月，美国总统奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。据了解，这个产业目前已经获得美国联邦和地方政府总计1.4亿美元的合力支持。
欧洲：德国英飞凌公司（Infineon）与欧洲17家企业共同成立Smart PM（Smart Power Management）组织，拓展碳化硅在电源和电器设备中的应用。欧洲纳米科技咨询委员会（ENIAC）的“高效率电动汽车计划”则专注于碳化硅功率器件在新型电动汽车中的应用技术研发，由英飞凌公司主导。
日本：日本政府在2013年就将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。日本经济产业省积极开展碳化硅的研发及生产，促进碳化硅在通讯电源、混合动力汽车、可再生能源变频器、工业马达驱动等领域的应用。
SiC的技术主要由海外公司垄断，尤其是美国的Cree 。
Cree 占SiC晶圆制造市场90%以上，Cree和英飞凌在SiC功率器件市场合计占85%以上份额。
由于行业发展潜力大，日本Rohm、美国ST等也在积极进军SiC领域。
图 国外主导厂商产业链分布图
图片来源：新材料在线
6.中国厂商情况
“十二五”以来，我国开展了跨学科、跨领域的研发布局，在新材料、能源、交通、信息、自动化、国防等各相关领域分别组织国内科研院所和企业联合攻关，部分解决了第三代半导体材料和器件制备的关键技术问题。
2016年作为“十三五”开局之年，科技部、工信部、国家发改委等多部委出台多项政策，对第三代半导体材料进行布局。从政策的内容来看，科技创新仍是重点，产业化布局、专业人才储备、投资鼓励、产业园规划建设、生产制造扶植等方面的支持政策也逐步出台，力争全面实现“换道超车”。
地方政策也在2016年大量出台，福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区出台第三代半导体相关政策（不包括LED）近30条。一方面多地均将第三代半导体写入“十三五”相关规划（17项）另一方面不少地方政府有针对性对当地具有一定优势的SiC和GaN材料企业进行扶持。
SiC产业链环节
相关企业
主要进展
单晶
天科合达（新三板企业）
2、3、4英寸SiC晶片年产7万片；6英寸近期研制成功
山东天岳
2、3、4英寸SiC晶片，6英寸将实现量产
同光晶体
2英寸已量产，4英寸将实现量产
46所
2英寸SiC晶片
神舟科技
2-4 英寸SiC晶片、外延片
中科院硅酸盐所
2、3、4英寸SiC晶片
南车时代电气
4-6 英寸SiC芯片模块封装及功率器件重点实验室
外延
瀚天天成
12年3月3、4寸外延晶片达商业化；14年4月，6寸外延晶片交付日本客户
天域半导体科技
年产2万-3万片SiC外延晶片的产能，产品目前销往日本等国外市场
中科院
中科院半导体所、中科院物理所、天科合达联合研发，年产能2万片4英寸SiC晶片，30片4英寸外延片，年产10万只SiC二极管及1万只SiC模块的小批量生产能力
西电、13所、55所
N/A
器件
泰科天润
肖特基二极管600-1700V系列达到国际先进水平
西电、13所、55所
SiC二极管和结型场效应功率管等研究成果，未量产
南车时代电气
SiC IGBT研发中
1. 成本较高7. SIC器件还不能完全普及的原因
目前SiC器件的成本较普通Si基器件成本高：SiC二极管的成本是硅基肖特基二极管的5-7倍；SiC JFET 的成本是硅基JFET的4-7倍；SiC MOSFET的成本是硅基MOSFET的10-15倍 。
2. 技术壁垒
虽然晶体生长炉在技术上已经非常成熟，但是在晶体生产中温度和气体输送速率和输送角度等技巧则有相当大的难度。
碳化硅从2英寸、4英寸到6英寸的发展过程中，扩晶技术非常关键。
结语
宽禁带半导体材料SiC作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。
随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。
参考资料：
1. 新材料在线《80+页PPT全方位解读半导体行业》
2. 半导体行业联盟《碳化硅元器件的昨天、今天、明天！》
3. 电子材料圈《半导体碳化硅单晶材料的发展》
4. 群铟荟萃《史上最全第三代半导体产业发展介绍》
5. 中泰证券《中泰证券半导体行业系列深度之一：自主可控迫在眉睫，产业地位稳步提升》
6. 第三代半导体产业联盟 《第三代半导体材料及应用产业发展报告（2016）》
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