什麼是碳化矽？
碳化矽是第三代化合物半導體材料。半導體產業的基石是晶片，製作晶片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度矽），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料（碳化矽、氮化鎵） 。碳化矽因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的製作半導體晶片的基礎材料。
碳化矽在半導體晶片中的主要形式為襯底。半導體晶片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為「襯底-外延-器件」 結構。碳化矽在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。
碳化矽晶片是碳化矽晶體經過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。
碳化矽晶片作為半導體襯底材料，經過外延生長、器件製造等環節，可製成碳化矽基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。
根據電阻率不同，碳化矽晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化矽晶片主要應用於製造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場規模較大；半絕緣型碳化矽襯底主要應用於微波射頻器件等領域，隨著 5G 通訊網絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。
碳化矽生產工藝流程：
碳化矽晶片是以高純矽粉和高純碳粉作為原材料，採用物理氣相傳輸法（PVT） 生長碳化矽晶體，加工製成碳化矽晶片。
①原料合成。將高純矽粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2,000℃以上的高溫下反應合成碳化矽顆粒。再經過破碎、清洗等工序，製得滿足晶體生長要求的高純度碳化矽微粉原料。
②晶體生長。以高純度碳化矽微粉為原料，使用自主研製的晶體生長爐，採用物理氣相傳輸法（PVT 法）生長碳化矽晶體。其生長原理如下圖所示：
將高純碳化矽微粉和籽晶分別置於單晶生長爐內圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過電磁感應將坩堝加熱至 2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低於下部微粉處，在坩堝內形成軸向溫度梯度。碳化矽微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物質，在溫度梯度驅動下到達溫度較低的籽晶處，並在其上結晶形成圓柱狀碳化矽晶錠。
③晶錠加工。將製得的碳化矽晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向，之後磨平、滾磨，加工成標準直徑尺寸的碳化矽晶體。
④晶體切割。使用多線切割設備，將碳化矽晶體切割成厚度不超過 1mm 的薄片。
⑤晶片研磨。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
⑥晶片拋光。通過機械拋光和化學機械拋光方法得到表面無損傷的碳化矽拋光片。
⑦晶片檢測。使用光學顯微鏡、 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測碳化矽晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標，據此判定晶片的質量等級。
⑧晶片清洗。以清洗藥劑和純水對碳化矽拋光片進行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾汙物，再通過超高純氮氣和甩幹機將晶片吹乾、甩幹；將晶片在超淨室封裝在潔淨片盒內，形成可供下遊即開即用的碳化矽晶片。
晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大，而下遊器件的製造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化矽晶片廠商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化矽晶片， CREE、 II-VI 等國際龍頭企業已開始投資建設 8 英寸碳化矽晶片生產線。
新能源汽車將驅動碳化矽產業快速成長
碳化矽器件應用領域廣泛，新能源汽車驅動碳化矽快速增長
碳化矽晶片經外延生長後主要用於製造功率器件、射頻器件等分立器件。以碳化矽晶片為襯底製造的半導體器件具備高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強等優點，可廣泛應用於新能源汽車、 5G 通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等現代工業領域，在我國「新基建」的各主要領域中發揮重要作用。
功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一，廣泛應用於電力設備的電能轉化和電路控制等領域。作為用電裝備和系統中的核心，功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制，管理著全球超過 50%的電能資源，廣泛用於智能電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、數據中心、家用電器、移動電子設備等國家經濟與國民生活的方方面面，是工業體系中不可或缺的核心半導體產品。
現有的功率器件大多基於矽半導體材料，由於矽材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長和變化的電能應用新需求。碳化矽功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。經過近 30 年研究和開發，碳化矽襯底和功率器件製造技術在近年逐步成熟，並快速推廣應用，正在掀起一場節能減排和新能源領域的巨大變革。碳化矽功率器件的應用領域如下圖所示：
新能源汽車是碳化矽最重要的下遊應用。新能源汽車行業是市場空間巨大的新興市場，全球範圍內新能源車的普及趨勢逐步清晰化。根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約 700 美元到 1000 美元。隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。
新能源汽車系統架構中涉及到功率半導體應用的組件包括：電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載 DC/DC）和非車載充電樁。碳化矽功率器件應用於電機驅動系統中的主逆變器，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提高功率密度。美國特斯拉公司的 Model 3車型採用以 24 個碳化矽 MOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全碳化矽功率器件的汽車廠商；碳化矽器件應用於車載充電系統和電源轉換系統，能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度、提升系統效率，目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統中使用碳化矽功率器件；碳化矽器件應用於新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。
其他應用領域也包括光伏發電、軌道交通、智能電網、風力發電、工業
電源及航空航天等領域。
伴隨新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等產業的快速發展，功率器件的使用需求大幅增加。根據 IC Insights 數據， 2018 年全球功率器件的銷售額增長率為 14%，達到 163 億美元。未來，隨著碳化矽和氮化鎵功率器件的加速發展，全球功率器件的銷售額預計將持續保持增長。IC Insights預計 2018 至 2023 年期間，全球功率器件的銷售額複合年增長率達到 3.3%，2023 年全球功率器件收入將達到 192 億美元。根據 IHS Markit 數據， 2018年碳化矽功率器件市場規模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及電力設備等領域的帶動，預計到 2027 年碳化矽功率器件的市場規模將超過 100 億美元，碳化矽襯底的市場需求也將大幅增長。
射頻功率器件為碳化矽材料應用的另一重要領域
微波射頻器件是實現信號發送和接收的基礎部件，是無線通訊的核心，主要包括射頻開關、 LNA、功率放大器、濾波器等器件，其中，功率放大器是放大射頻信號的器件，直接決定移動終端和基站的無線通信距離、信號質量等關鍵參數。
5G 通訊高頻、高速、高功率的特點對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化矽為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備了碳化矽的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優勢，突破了砷化鎵和矽基 LDMOS 器件的固有缺陷，能夠滿足 5G 通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化矽基氮化鎵射頻器件已逐步成為 5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術路線。
隨著全球 5G 通訊技術的發展和推廣， 5G 基站建設將為射頻器件帶來新的增長動力。據 Yole Development 預測， 2025 年全球射頻器件市場將超過250 億美元，其中射頻功率放大器市場規模將從 2018 年的 60 億美元增長到
2025 年的 104 億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續提高。隨著 5G 市場對碳化矽基氮化鎵器件需求的增長，半絕緣型碳化矽晶片的需求量也將大幅增長。
5G 基站對碳化矽襯底仍有較大需求。中國是 5G 建設的全球領先國家，根據賽迪智庫 2018 年預測，我國未來計劃建設 360 萬臺-492 萬臺 5G 宏基站，是 4G 宏基站的 1.1-1.5 倍。根據中國電子信息產業研究院數據， 當前我國已經建設的 5G 宏基站約為 40 萬臺，未來仍有較大成長空間。
碳化矽基氮化鎵外延射頻功率器件市場規模快速增長。根據 Yole 和CREE 預測， 受益 5G 的普及與 5G 基站的建設， 碳化矽基氮化鎵外延功率器件市場規模將從 2018 年 6.45 億美金增長到 2024 年的 20 億美金，年均複合增速達 20.76%， 2027 年市場規模有望達到 35 億美金。
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