专家观点|关于碳化硅的五大热点问题

17日“创道硬科技”视频号举办了第14场线上直播---“第三代半导体碳化硅器件发展现状和展望”，来自泰科天润的高远从SiC材料的物理特性、下游应用、产业发展情况等多个方面给投资人提供了一场精彩的讲座，回答了关于碳化硅的五大热点问题。讲座视频回放：

问题一：碳化硅器件为何具有优异的特性？

SiC功率半导体器件优异特性的源头是其属于宽禁带材料，其禁带宽度为3.26eV，是Si的3倍。禁带宽度大带来两方面的好处：

一是禁带宽度大使得SiC的本征载流子浓度低，仅仅是Si的 1/1019。这样就能够使SiC器件能够在更高的温度下也能够正常工作，可达200-300℃，而Si器件的最高工作温度仅为175℃。

二是宽禁带使得SiC具有更高的电场击穿强度，为Si的10倍。击穿场强越高，在相同的耐压等级下器件就越薄。那么在相同的芯片面积下，器件的导通电阻越小，电流等级越大，故SiC器件可以同时满足高压和大电流的要求；同时，在相同的电压和电流等级下，SiC器件的芯片面积就会更小，其结电容也更小，可以使得器件获得更快的开关速度和更小的开关损耗。

当SiC器件具有上述优异特性后，就能够使功率变换器获得更高的效率，更高的功率密度，并降低系统成本。

问题二：国产碳化硅器件迎来哪些发展机遇？

首先是政策层面，在“十四五”规划中碳化硅被列入“科技前沿领域攻关”，受到了国家层面的高度重视。同时SiC器件主要应用在电动汽车、充电桩、光伏、储能、数据中心、轨道交通等新能源领域，必定在“双碳”目标的达成中扮演重要的作用。机遇次，各地政府和投资机构也纷纷向SiC产业投入资源，极大地促进了国产SiC产业的发展。

从市场行情来看，越来越多的客户开始接受国产SiC二极管，今年订单呈现井喷态势。这主要得益于国产SiC二极管品质的不断提升和缺货浪潮持续蔓延。国际功率半导体巨头纷纷将资源投向了利润更高的SiC MOSFET，给国产SiC二极管提供了获得订单、广泛应用、反馈改进的绝佳机遇。

问题三：碳化硅产业链遇到哪些技术挑战？

SiC产业链可以分为材料、器件、应用三个层面，每个层面都面临着非常多的技术挑战。

材料层面，是SiC粉末-SiC晶锭-SiC衬底-SiC外延的过程，其中从粉末到晶锭的长晶过程技术难度最大。SiC长晶速度仅为0.2-0.4mm/h，晶锭的尺寸也仅有6英寸，还需要在2000℃以上的高温环境下进行生长，可以说是既耗时又耗能。同时，现阶段长晶主要采用气相法，整个过程控制难度极大，稍有不慎就会导致晶锭缺陷过多、晶型不符合要求等问题。

器件层面，包括器件设计和晶圆制造。器件设计主要面临的问题是我们对于SiC材料的基本特性的认知还不够全面，导致很多问题无法在器件设计阶段暴露和解决。在晶圆制造中，由于SiC相对于Si来说具有很多不同的特性，这就需要新增一些独有的制造设备，例如高温离子注入机、高温氧化炉、高温退火炉，现在这些设备的交期已经达到了1年，这还没有算清关、入场、调试所需要的时间。有了这些设备之后，还需要开发相关的工艺，这又需要巨大的投入和长期的积累，其中SiC MOSFET栅氧和沟槽工艺业界一直没有完全解决。

应用层面，电源工程师需要面对SiC器件高开关速度下的高dv/dt和高di/dt，它们会导致测量测试挑战、串扰、共模电流、高关断电压尖峰、EMI等问题。

半导体行业本来的最大特点就是周期长，而SiC产业各个环节都面临这技术挑战，同时SiC器件一上来就要面对更加保守的工业电源领域，这就导致整个碳化硅产业链形成闭环是慢上加慢。

问题四：Fabless和IDM各有什么特点？

Fabless公司就是常说的设计公司，自身只进行器件设计研发，晶圆制造交由代工厂进行。其优势是投资门槛较低，能够借助代工厂的工艺能力快速向市场推出产品。

IDM公司除过器件设计外还自有晶圆厂，具有更高的投资门槛，回报周期长，一般从建厂到能够稳定大批量向市场供货需要至少需要3-5年时间。同时IDM公司需要面临SiC晶圆制造的工艺难题，技术挑战也更大。当IDM企业掌握SiC核心工艺后，就具备供货稳定、品控保证、成本和价格、产品差异化等优势。

问题五：国产碳化硅器件上车进展如何？

国产Si器件是按照消费级、工业级、车规级逐渐验证发展的，这一规律也适用于SiC器件。

在消费级，国产SiC二极管已经大规模应用，包括PC电源、PD快充、LED等。在工业级，国产SiC二极管在充电桩、OBC、光伏、数据中心等领域获得大规模应用，国产SiC MOSFET在电机驱动、储能等领域已经开始验证测试和小批量。

在上车方面，国产SiC二极管已经在OBC上广泛使用，泰科天润的SiC二极管以有7年OBC应用积累，累计出货7kk。国产SiC MOSFET单管在OBC和DC-DC已经开始验证测试和小批量。此外，市场规模最大的、更是投资者最看重的主逆变器，国产SiC MOSFET还处于早期阶段，短时间内难以看到搭载国产SiC MOSFET的电动汽车上路。这是由于主逆变器关系到整车和人员的安全，对SiC MOSFET的性能、可靠性要求极高，同时还要面对电动汽车开发过程中各项测试验证，不存在“侥幸通过”的可能性，国产SiC MOSFET还需要继续提升已达到要求。

专家介绍：高远，现任泰科天润应用测试中心主任。中国电工技术学会电力电子专业委员会青年工程师工作组委员，第三代半导体产业技术创新战略联盟产业导师，泰克科技电源功率器件领域外部专家。主要从事功率半导体器件的特性测试、评估及应用的关键技术研究工作，致力于推进功率半导体器件教育在高等学校普及和推广先进功率器件在工业界应用。发表学术论文8篇，授权专利4项，出版专著《碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术》，收录于机械工业出版社“电力电子新技术系列图书”和“半导体与集成电路关键技术丛书”，并列入“十四五”国家重点出版物。