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第三代半导体材料——碳化硅产业发展现状与启示

碳化硅是全球最先进的第三代半导体材料，是新一代雷达、卫星通信、5G基站等重要领域的核心材料。培育发展碳化硅产业，对我市抢占第三代半导体战略新高地具有重要战略意义。近日，扬州市科技情报所对碳化硅产业情况进行分析研究，总结了碳化硅产业的发展现状和先进地区的经验做法，并从加强顶层设计、强化科技招商、搭建创新载体、加强人才和资金引进四个方面提出对扬州的启示，供参考。

一、概况

1、碳化硅（Sic）：是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料。

2、碳化硅性能优势显著：（1）宽禁带、击穿场强高、导热效率高、饱和电子漂移速率快；（2）在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，可同时实现高耐压、低导通电阻、高频。

3、碳化硅制成的功率器件应用广泛。碳化硅材料制成的器件主要分为两类：（1）导电型。通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层后进一步加工制成，包括肖特基二极管、MOSFET、IGBT等，主要应用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。（2）半绝缘型。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层后进一步制成，包括HEMT等微波射频器件，主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天等领域。

4、开发应用潜力巨大。（1）光伏发电领域。使用碳化硅功率器件的光伏逆变器可以提高太阳能转化效率，从而带来低成本和高效率；（2）新能源汽车领域。碳化硅功率器件正在加速渗透逆变器市场，2022年中国车用碳化硅衬底市场需求约在16.9亿元，2025年预计将达129.9亿元，年均增长率达97.2%；（3）轨道交通领域。碳化硅器件能够提升轨道交通牵引变流器供电频率，提升装备应用的灵活性和机动性；（4）航空航天领域。碳化硅是制备航空发动机的理想材料，可有效减小设备损耗；（5）5G通信领域。在无线通信领域，可确保通讯系统稳定运行。

5、市场空间广阔。据世界权威半导体市场研究机构Yole预测，碳化硅功率半导体市场规模将在2027年达62.97亿美元，年复合增长率达34%。汽车应用主导SiC市场，占整个功率SiC器件市场的75%以上。据全球碳化硅龙头企业Wolfspeed预测，碳化硅器件将在2024年和2026年达66亿美元和89亿美元；碳化硅材料在2024年和2026年达12亿美元和17亿美元。

6、碳化硅技术难点主要集中在长晶、外延、器件可靠性及验证上。碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要5年时间；叠加车规级器件长验证周期，碳化硅市场的进入壁垒相对较高。

二、碳化硅产业发展现状

1、全球产业格局呈美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中，美国全球独大，占有全球SiC产量的70%~80%，碳化硅晶圆市场CREE一家市占率高达6成之多；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

2、国内陆续出台支持性政策。国家和各省市先后出台了相关政策，将碳化硅为首的第三代半导体产业作为战略级规划产业。各地政策方向主要从加强产业链技术基础和提升碳化硅产品性能两个方面入手。北京率先发展碳化硅等第三代半导体产业的要求，上海着重于碳化硅、第三代半导体产品的具体性能，广东将打造产业集聚发展核心区和示范区，江苏将加强碳材料等纳米新材料研发应用，湖北、浙江等地则提出加强产业链技术发展。

3、我国碳化硅行业市场规模呈快速上涨态势。2022年，我国碳化硅市场规模约为43.45亿元，产值约为20.43亿元，碳化硅行业主要分布在华东、华南等发达地区，占比分别为32.78%、16.74%。此外，碳化硅半导体产业吸金超2400亿元，衬底和芯片成投资强度最大领域。碳化硅产业已披露的扩产投资金额达到1272.63亿元（不含光电），较去年增长36.7%。目前，碳化硅作为关键材料在太阳能电池和风力发电设备中得到广泛应用，在冶金、化工、半导体制造等工业领域中的应用也在增加。

4、国内外企业加速布局，产业链逐渐完善。碳化硅产业链上游是衬底和外延，中游是器件和模块制造，下游是终端应用。Wolfspeed、Rohm已覆盖完整产业链各环节。

其中，衬底制造技术壁垒最高、价值量最大（占比47%），是未来SiC大规模产业化推进的核心。目前，国外主流大厂正陆续推出8英寸衬底；国内SiC以4英寸为主，同时已开发出6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。天合达和天岳先进为主的碳化硅晶片厂商发展速度较快、市占率提升明显，三安光电也在深度布局。

5、国产替代、成本下降、良率提升持续推进。国产替代方面，我国SiC研发及工业化起步晚，海外厂商仍占主导，但我国厂商产品迭代加速，研发时间较海外厂商更短，且性能参数均可对标，市占率呈快速上升趋势。成本方面，后道的冷切割、高速抛光等工艺及尺寸的扩大提升了晶片的加工效率及使用效率，使SiC器件与Si器件价差逐渐缩小。良率方面，针对影响良率的温度控制、晶型控制等难题，国内已有先进设备和专利技术，随着学界和业界的持续探索，SiC良率提升未来可期。

三、国内先进地区的经验做法

1、强化科技招商，完善产业链。广州南沙先后引进了芯粤能、芯聚能、晶科电子、联晶智能、南砂晶圆、奕行智能、先导装备等一批行业龙头企业，覆盖了上游的碳化硅单晶及衬底加工，中游的芯片设计、制造、封测，下游的应用等产业链关键环节，产业链逐渐完善；合肥高新区组织上百支3-5人“招商引资小分队”，专攻国内特定领域领军企业，制订针对性的招商引资策略，吸引了半导体、芯片和新能源汽车等领域的领军企业。

2、构建碳化硅产业园区，优化产业布局。目前，已有广州、北京、上海、福建等多地建成碳化硅产业园、基地、聚集区。山西投资50亿建设产业园，包括碳化硅材料产业基地、第三代半导体技术创新中心等，达产后预计形成产值100亿；福建厦门建设瀚天天成碳化硅产业园，主要建设6英寸碳化硅外延晶片生产线厂房，年产能达20万片；甘肃清水县招引山东华贸控股集团，投资20亿建设高性能碳化硅复合材料产业园，包含三条碳化硅生产线、氮化硅结合碳化硅复合材料及制品生产线等。

3、政产学研投协同融合，促进产业创新。复旦大学同华大半导体合作共建“上海碳化硅功率器件工程技术研究中心”，聚焦碳化硅功率器件技术的研发及应用，协同产业链上下游，目前已经开发出碳化硅二极管工艺开发，碳化硅MOS工艺和器件也在开发中；清华大学苏州汽车研究院和深圳市至信微电子共建“碳化硅联合研发中心”，推动SiC技术在汽车电子领域的研究和运用，加速SiC在新能源车产线前端应用的落地与定制开发。

4、健全保障机制，优化产业环境。一是强化人才保障。潍坊坊子区依托东北大学（潍坊）先进陶瓷研究为“孵化器”，汇集了东北大学、吉林大学等高校的优秀人才，引进国家工程院院士、国家级重点人才工程人选、泰山产业领军人才等10余位高端人才，助推碳化硅行业转型升级；二是强化资金保障。北京顺义引进设立第三代半导体产业基金，重点培育和引进领军企业、高成长性中小企业和重大项目。

四、对扬州的启示

1、加强顶层设计。一是强化市级统筹协调。从市级层面统筹我市碳化硅产业的组织领导、统一规划与政策整合。二是组建碳化硅产业战略咨询委员会。为全市碳化硅产业发展的重点方向、重点项目、战略规划等提供支撑，对引入重大项目进行评估筛选。

2、开展产业链精准招商。扬杰科技现已成功开发并向市场推出SiC模块及650V SiC SBD全系列产品，1200V系列SiC MOSFET取得关键性进展。充分发挥扬杰科技的牵引和带动作用，加快补链强链，推进与三安光电、露笑科技、天岳先进等国内龙头企业，以及意法半导体、Wolfspeed、罗姆、英飞凌、三菱电机、安森美等海外碳化硅器件巨头合作，吸引上下游原材料、外延器件甚至整机装备厂商来扬设立生产基地，争取产业链骨干企业及上中下游关联配套企业落户，打造碳化硅材料和器件产业集聚区。

3、支持创新载体布局建设。国内已有多所院所在碳化硅领域取得了一批重大科技成果，支持扬杰科技等企业与这些院所成立联合实验室，并鼓励科研院所在扬建设重点实验室、技术创新中心、产业创新中心、新型研发机构等载体，分别按对应政策予以资助，开展关键、共性技术和工程技术攻关，联合承担国家科技专项和产业化项目，形成一批拥有自主知识产权的核心技术成果。

4、加强人才和资金招引。一是强化人才招引。通过举办碳化硅专项创新创业大赛和设立“揭榜挂帅”项目等，引进一批科技领军人才，并优先纳入“绿扬金凤”人才计划和人才项目；引导驻扬高校院所与国内顶级研究机构或高校合作设立相应学科专业，共同开展前瞻性关键共性技术研究。二是强化资金招引。支持科创母基金通过直投或设立碳化硅产业基金，引导社会资本投入。

表1 碳化硅领域部分高校情况

高校名称	研究成果
复旦大学	完成了积塔碳化硅二极管工艺开发
厦门大学	实现8英寸碳化硅外延生长
浙江大学	成功生长出了厚度达到50mm的6英寸碳化硅单晶
山东大学	研发出可靠的碳化硅晶体材料制备技术
西安电子科技大学	研发出高性能高压碳化硅功率器件
武汉工程大学	研发出化学气相沉积法制备碳化硅单晶的工艺及设备

表2 碳化硅领域重点研究机构情况情况

研究机构名称	代表人物/单位	企业	科研成果
中科院物理所	陈小龙	天科合达	发展宽禁带半导体碳化硅晶体生长新方法
中科院半导体所	李树深、夏建白、郑厚植	同光晶体	研发出碳化硅单晶衬底
中科院上海硅酸盐所	陈之战	露笑科技	国内碳化硅生长第一人
宽禁带半导体国家工程研究中心	西安电子科技大学	/	研发出外延材料生长设备
山东大学晶体材料国家重点实验室	徐现刚	南砂晶圆	8英寸导电4H-SiC单晶
山东大学晶体材料国家重点实验室	魏汝省	烁体晶圆	制备出半绝缘碳化硅单晶晶圆
宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室	中国电科五十五所	/	研发的SiC MOSEFT器件已批量应用于新能源汽车的车载充电器

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