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言：加速發展的數字化和能源效率等全球趨勢，給制造商和半導體市場帶來了新的挑戰，而第三代半導體碳化硅可謂非?；馃帷?/p>
碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內經高溫冶煉而成。目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。
碳化硅（SiC）半導體材料是自第一代元素半導體材料（Si、Ge）和第二代化合物半導體材料（GaAs、GaP、InP等）之后崛起的第三代半導體材料。作為一種寬禁帶半導體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場強高、熱導率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數小、抗輻射能力強、化學穩定性良好等特點，憑借其耐高溫、耐高壓、高頻的特性在功率器件領域得到了廣泛的應用。
SiC 以多種多晶型晶體結構存在，稱為多型，例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在實際功率器件制造中通常是首選。直徑為3英寸至6英寸的單晶4H-SiC晶片可商購獲得。
與 Si 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場強、三倍的帶隙和三倍的熱導率。SiC 器件可以承受更高的擊穿電壓，具有更低的電阻率，并且可以在更高的溫度下工作。
圖 1 碳化硅材料的特性
碳化硅襯底制備技術包括 PVT 法（物理氣相傳輸法）、溶液法和HTCVD法（高溫氣相化學沉積法）等，目前國際上基本采用PVT法制備碳化硅單晶。SiC單晶生長經歷3個階段，分別是Acheson法、Lely法、改良Lely法。
利用SiC高溫升華分解特性，可采用升華法即Lely法來生長SiC晶體，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環境溫度為 2 500℃的條件下進行升華生長，可以生成片狀SiC晶體。
但Lely法為自發成核生長方法，較難控制所生長SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來又出現了改良的Lely法，即PVT 法（物理氣相傳輸法），其優點在于：采用SiC籽晶控制所生長晶體的晶型，克服了Lely法自發成核生長的缺點，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長較大尺寸的SiC單晶。
SiC 在自然界中以礦物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不過，自1893 年以來，粉狀碳化硅已被大量生產用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史，主要用于磨輪和眾多其他研磨應用。
早期碳化硅應用于LED燈和避雷針。而利用當代技術，人們已使用SiC 開發出高質量的工業級陶瓷。這些陶瓷展現出頗具優勢的機械特性，如：高硬度、高強度、低密度、高彈性模量、高抗熱震性、優越的化學惰性、高導熱率、低熱膨脹。這些高強度、較持久耐用的陶瓷廣泛用于各類應用，如汽車制動器和離合器，以及嵌入防彈背心的陶瓷板。碳化硅也用于在高溫和/或高壓環境中工作的半導體電子設備，如火焰點火器、電阻加熱元件以及惡劣環境下的電子元器件。
SiC研磨片碳化硅仍然在許多工業應用中用作研磨劑。其在電子行業中主要用作拋光膜，用于在拼接前為光導纖維的兩端拋光。這些膜片能夠給光纖接頭帶來有效運作所需的高光潔度
在微電子領域，碳化硅半導體的優勢在于可與氮化鎵半導體互補，氮化鎵半導體材料的市場應用領域偏向中低電壓范圍，集中在1000V以下，而1000V以上的中高電壓范圍，則是碳化硅的天下。1200V以上的碳化硅應用領域有新能源汽車，光伏，機車牽引，智能電網等，高鐵機車的牽引電壓在6500V以上，地鐵則一般在3300V左右。
碳化硅半導體在軍事、航天上也有許多應用，不管是電力電子，還是微波設備，在軍工領域均有大量應用。
碳化硅產業鏈主要分為晶片制備、外延生長、器件制造、模塊封測和系統應用等幾個重要的環節。其中外延生長是承上啟下的重要環節，具有非常關鍵的作用。預計到2023年碳化硅外延設備的年復合增長率有望超過50%。
碳化硅外延設備市場前景
上中游企業火熱加速布局，最大的驅動力無疑來源于下游終端應用的市場需求。隨著碳化硅、氮化鎵襯底、外延片質量持續提升，上游材料產能不斷擴張，碳化硅、氮化鎵器件與傳統器件價差持續縮小、性能日益穩定及提高，進一步獲得下游認可。
碳化硅方面，我國襯底企業主要有山東天岳、天科合達、中科鋼研節能、世紀金光等，外延片企業主要有瀚天天成、天域半導體、世紀金光等，器件制造方面有廈門三安集成、海威華芯等，IDM企業主要有泰科天潤、中車時代、世紀金光、芯光潤澤以及中電科十三所、中電科五十五所等。
歷經多年的沉淀與積累，我國第三代半導體產業已有了長足進步。根據第三代半導體產業技術創新戰略聯盟發布的報告，2019年我國第三代半導體領域技術已基本完成從小批量的研發向規模化、商業化的跨越。
材料方面，2019年GaN襯底已實現2-3英寸襯底小批量產業化，4英寸可提供樣品；用于電力電子器件的Si基GaN外延基本實現6英寸產業化和8英寸材料的樣品研發。
SiC襯底4英寸導電和半絕緣襯底已實現產業化，6英寸導電襯底小批量供貨，已經研制出8英寸襯底；SiC同質外延目前商業化的尺寸為4-6英寸等。
器件方面，2019年商業化的Si基GaN HEMT最高電壓為650V；硅基GaN射頻器件性能位于國際前列水平，工作頻率145GHz-220GHz，已實現規模量化供貨。SiC器件國內外產品涵蓋的電壓等級已經基本無差別，SiC SBD覆蓋600V-3300V的電壓范圍；SiC MOSFET方面，全SiC功率模塊最高規格為1200V/600A等。
不過，目前全球第三代半導體產業大部分市場份額仍被美國、歐洲、日本等國家地區企業所占據，我國第三代半導體企業在產能規模、解決方案、市場渠道以及品牌信任度等方面均與國際企業有較大差距，如今正在努力追趕中。
因此，碳化硅和第三代半導體，在整個行業范圍內仍然是在探索過程中發展，遠未達到能夠大規模替代第二代半導體的成熟產業地步，潛在市場的荒原依然巨大。市場內最先進的玩家，也仍然面臨諸多短板有待彌補，因此群雄逐鹿尚未分明，任何已經出具規模的參與者，都還有翻盤超越的機會。同時希望更多的企業沉下心來去發展碳化硅技術，去發酵，成熟牢靠的技術才是發展產業的奠基石。