2021年11月19日 | 集微咨询：国内SiC衬底企业技术图谱：“产学研”基因显现

- 国内碳化硅产业化带有“学研”基因极为突出，“产学研用”已成国内碳化硅衬底领域的重要特色；

- 国内SiC商业化衬底以4英寸为主，逐步向6英寸过渡，与国际主流相比，我国大尺寸SiC单晶衬底制备技术仍不成熟，单晶衬底尺寸仍然偏小；

- 国内SiC单晶材料领域在以下方面存在一定风险：一是SiC单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料。

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料是继硅材料之后最有前景的半导体材料之一，与硅材料相比，以碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件具备高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、抗辐射能力强等优点，可广泛应用于新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域。

全球SiC发展历程

Si和SiC作为半导体材料几乎同时被提出，但由于SiC生长技术的复杂和缺陷、多型现象的存在，其发展曾一度被搁浅。 

SiC的发展历经了多个重要阶段：

碳化硅晶体的合成技术至今已经有近200年的历史。气相法成为制备碳化硅单晶的重要技术，主要经历了Acheson法、Lely法和PVT法等的发展阶段。1955年，Lely首先在试验室用升华法制备出了具有足够尺寸的SiC单晶；1978年，前苏联科学家Tairov和Tsvetko在Lely法的基础上进行了改进，提出采用籽晶来控制晶体生长的构型，称为PVT法或改良Lely 法。目前，PVT法是生长大直径、高质量碳化硅单晶最常用的方法。

自1994年后，随着半导体照明及2英寸SiC单晶衬底的突破性进展，全球SiC研究热潮掀起。世界各国对SiC的研究非常重视，美国、欧洲、日本等从国家层面上制定了相应的研究规划。

对于第三代半导体而言，SiC作为核心衬底材料，其供应稳定性十分重要，无论是SiC功率器件还是高性能的SiC基GaN器件，都离不开SiC衬底。

目前，在碳化硅晶片领域，国际上出现了美国Wolfspeed公司（此前用名：Cree，以下用Wolfspeed）、美国II-VI公司和德国SiCrystal（2009年被罗姆收购）公司等代表性龙头企业。

上世纪90年代初，美国Wolfspeed公司已成功推出碳化硅晶片产品，Wolfspeed于上世纪90年代末成功研制出4英寸碳化硅晶片，并于2001年成功研制首个商用碳化硅SBD产品。2015年，Wolfspeed、II-Ⅵ公司推出了8英寸SiC单晶衬底材料样品。

国内SiC衬底技术“基因”

我国在SiC单晶的制造方面起步较晚。现阶段，国产SiC衬底技术和产业均有了长足进步，但从国际市场看，占有率仍较低。

国内高校和科研单位对SiC单晶的研究始发于2000年前后，包括上海硅酸盐所、中科院物理所、山东大学、中电集团46所、西安理工大学、西安电子科技大学等。

集微咨询（JW insights）调研发现，国内碳化硅产业化带有“学研”基因极为突出，“产学研用”已成国内碳化硅衬底领域的重要特色。

集微咨询（JW insights）了解到，目前国际上SiC衬底的制造早已从4英寸换代到6英寸，部分企业8英寸产线即将开始量产。而国内SiC衬底产业化方面，以4英寸为主，已经开发出6英寸导电型SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底。与硅晶圆类似，大尺寸的晶圆也是碳化硅衬底的发展方向。

此外，国内SiC 衬底生产工艺水平有待进一步提升，产品在直径、缺陷密度、稳定性等参数上与国际主流商用企业Wolfspeed等的同类产品还有一定差距。

集微咨询（JW insights）认为：对于国内的产业发展而言，除了追求更大尺寸的衬底之外，衬底产品其他性能参数的提升也需要更多的基础研究的支持。例如，为了发挥材料性能优势，SiC 功率器件必然将逐步走向更高电压和更高功率的应用，这就对SiC 功率器件在高压水平下的可靠性提出了更高的要求，意味着需要不断降低衬底及外延中的缺陷密度来提升可靠性，尤其是位错密度水平。这些缺陷密度的解决都需要系统且长期地深入学术、工艺等方面进行研究，单独依靠企业很难完成。在此背景下，产学研合作成为技术落地的重要路线。

国立研究机构的特点是基础研究力量雄厚，承担高风险研发的能力强，可以从更深层次去研究这些缺陷形成的机理和解决途径，并能及时将研究成果应用于产业。因此，在SiC全链条科技创新中，国立研究机构仍需继续发挥重要的作用。

目前，国内能批量生产SiC衬底的企业包括天科合达、山东天岳、烁科晶体、同光晶体、中科钢研、南砂晶圆、福建北电新材料、世纪金光、中电化合物、江苏超芯星等公司。

集微咨询（JW insights）认为，资金曾经是我国第三代半导体产业化过程遇到的最大问题之一。而近几年，国内第三代半导体产业投资热度居高不下，大量资金推动项目新建、扩产，行业外企业也积极通过并购进入第三代半导体领域，这将有利加速产业的发展及追赶。

但在我国第三代半产业追赶过程中，仍然存在一定风险。集微咨询（JW insights）统计显示，近5年布局的碳化硅衬底、外延、器件项目中，6英寸占比为超70%。但目前国内大部分SiC衬底企业仍然无法满足国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线对衬底产品的需求，尤其是高质量6英寸单晶衬底材料仍然需要依赖国外企业。

半导体产业是当前美国对华技术封锁的重点领域，已经成为中国“短板”中的重灾区。而2018年，美国明确把碳化硅、氮化镓等材料列入301管制技术清单，美国商务部将第三代半导体材料和芯片企业列入制裁名单。2020年2月，美国及日本等 42 个加入《瓦森纳协定》的国家，决定扩大出口管制范围，新追加了可转为军用的半导体基板制造技术等，防止技术外流到中国等地。

集微咨询（JW insights）认为，“十四五”是中国第三代半导体产业发展的关键窗口期，建立长期战略优势至关重要。目前全球第三代半导体正处于产业爆发前的“抢跑”阶段。我国在市场和应用领域有战略优势，正在形成完善的产业链条，在资本、政策的红利加持下，第三代半导体产业将从中受益。