【新材料●SiC】第三代半导体SiC技术的崛起（总第14期）

2017-06-23 人大人科创 Paul 【总第十四期】

1.概述

第一代半导体材料Si点燃了信息产业发展的“星星之火”，而Si材料芯片也成就了“美国硅谷”高科技产业群，诞生了像英特尔公司这样的世界半导体巨头。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。但随着当今社会发展对于高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化的新需求，曾经的“中流砥柱”Si半导体器件已日趋其发展的材料极限，难以满足电力电子、光电子、传感器等领域的发展需求，以SiC为代表的第三代半导体材料凭借其优异属性，在半导体功率器件、半导体照明、紫外光电探测器以及应用于高温高压等恶劣环境下的特殊传感器等方面，在现代工业的各个领域都将发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大，正在迅猛发展。

2.SiC 材料简介

3.SiC材料性能

与第一代半导体材料Si和第二代半导体材料GaAs相比，SiC具有更优良的物理和化学性质，这些性质包括高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等。

4.SiC材料应用

以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。

SiC材料优异的热学特性和抗辐照特性也使其成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。

此外，SiC基传感器能够弥补Si基传感器在高温、高压等恶劣环境下的性能缺陷，从而拥有更广阔的适用空间。

4.1 SiC功率器件与优势

SiC功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、重量以及成本的大幅减低。

4.2 SiC功率半导体产业链

按照从材料至最终应用的划分，SiC功率半导体产业链主要包括衬底、外延、器件与模块、应用等产业环节。

1、衬底制备

目前商用SiC单晶生长基本上采用升华法，该方法具有合适的生长速度，有利于规模化生产。

2、外延生长

经过多年发展，化学气相沉积（CVD）生长已成为SiC外延生长的主要方法。

3、器件与模块

由于SiC材料具有耐腐蚀、高硬度和易碎性等特点，所以其加工工艺难度比普通的Si和GaAs等半导体材料更高。

SiC电力电子器件主要包括功率二极管和三极管（晶体管、开关管）。

4.3产品应用

SiC功率器件应用领域可以按电压划分：

低压应用（600 V至1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等）以及其他领域（如医疗、电信、国防等）。

中压应用（1.2kV至1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动AC Drive）等。

高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

4.4 全球重点企业

SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以科锐（Cree）公司、II-VI、道康宁（Dow Corning）公司等为代表，其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品，其微管密度低于1个/cm2；日本Nippon和Sixon公司均已实现SiC单晶抛光片的产业化；欧盟第三代半导体材料实现SiC单晶抛光片的生产企业有芬兰的Okmetic公司和德国的SiCrystal公司。在SiC器件方面，国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiC IGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiC MOSFET产品，电压等级从650V~1700V，单芯片电流超过50A，并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。

5.市场状况

5.1国际市场状况与预期

法国行业研究公司Yole最新报告数据显示：2021年，用于功率器件的SiC衬底市场规模将超过3亿美元，外延的市场规模有望突破1亿美元。

功率器件（包括SiC二极管、晶体管和模块在内）市场规模，将从2015年的2亿美元上涨到2021年5.5亿美元，2015～2021年的复合年增长率（CAGR）达到19%。

5.2 国内市场状况与预期

根据CSA Research预测，到2020年，我国SiC与GaN功率器件产业整体市场规模约为226亿元，其中SiC市场规模85亿元。2015～2020年，我国SiC电力电子器件复合增长率将超过40%。至2020年，我国SiC电力电子应用市场规模（包括衬底、外延、器件在内）将达到47.5亿元；开关电源领域SiC市场价值约为6亿元；新能源并网中光伏发电领域汇流管和风电变桨辅助电源用SiC材料整体市场规模将达1.09亿元；轨道交通领域应用整体市场价值达4467万元；交流电机领域的SiC市场规模达33亿元；UPS应用SiC材料的市场价值将达1.86亿元；新能源汽车中应用SiC材料的市场价值将达5.1亿元。

　6. 第三代半导体SiC技术正在崛起

由于能源和环境问题日益凸显，节能环保和低碳发展逐渐成为全球共识。降低能耗、提高能源使用效率是当今世界各国节能减排的重大举措。

以SiC为代表的宽禁带半导体材料及功率器件被公认将成为电子电力应用的一次革命，受到世界各国政府与产业界的广泛关注和高度重视，将成为增长潜力巨大的战略性产业。