第三代半导体材料：碳化硅产业及供应格局梳理

前言：据外媒报道，为提升性能，英伟达拟将Rubin处理器CoWoS中阶层材料替换为碳化硅衬底，台积电正推进相关研发。

一. 半导体材料

半导体材料是导电性能介于导体和绝缘体之间的电子材料，按代际划分为三代：

（1）第一代：硅、锗；工艺成熟、成本低、适合规模量产，用于分立器件、集成电路（逻辑/模拟/存储芯片）。

（2）第二代：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）；光电性能卓越，用于射频器件、光通信器件。

（3）第三代：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）；耐高温、耐高压、宽禁带，用于高频电子器件。

二. 碳化硅概览

碳化硅是由硅和碳以共价键结合形成的半导体材料，具有宽禁带、高硬度、耐高压、耐高温、低热膨胀系数等特性。

根据衬底性质，分为导电型、半绝缘型：

（1）导电型衬底：用于功率器件，如车载电源、直流充电桩、光伏逆变器、储能变流器（PCS）、变频器、伺服电机。

（2）半绝缘型衬底：用于射频器件，如基站功率放大器、雷达系统。

三. 制备工艺及流程

碳化硅为原材料，需经过一系列工序制备成衬底，再通过外延生长得到外延层（满足下游器件电学性能要求）。

3.1 衬底制备

（1）原料合成：将高纯硅粉和碳粉反应合成碳化硅颗粒，主流工艺为碳热还原法。

（2）晶体生长：碳化硅粉通过高温升华再沉积，在籽晶上生长出晶锭；主流工艺为物理气相传输法（PVT法）。

（3）晶锭加工：晶锭需经过定向、磨平、滚圆、切割，加工成标准直径薄片，再通过研磨、抛光实现原子级平整度。

3.2 外延生长

（1）衬底预处理：通过原位刻蚀及高温退火，修复晶格缺陷。

（2）外延层生长：含硅源气、含碳源气、掺杂气体在高温下反应，在衬底表面沉积碳化硅单晶，主流工艺为化学气相沉积（CVD法）。

四. 衬底供应格局

海外巨头主导高端市场：Wolfspeed（美）、Coherent（II-VI、美）、罗姆（日）、意法半导体（瑞）、英飞凌（德）。

国内受制长晶缺陷密度等技术壁垒，量产厂商较少：

天岳先进：国内第一、全球第三大碳化硅衬底供应商，国内首家实现12英寸衬底量产。

露笑科技：投建合肥碳化硅产业园，6英寸衬底已量产、8英寸衬底中试。

晶盛机电：覆盖碳化硅长晶、切割、外延全链条设备；8英寸衬底已量产。

三安光电：主营半导体材料与器件，IDM模式覆盖碳化硅衬底、外延、器件全环节。

天富能源：参股联营天科合达，其导电型碳化硅衬底国内市占率第一。