瀚天天成研发出首款12英寸高质量碳化硅外延晶片 第三代半导体碳化硅具有哪些优势

 近日,中国半导体行业传来重大突破——厦门火炬高新区企业瀚天天成成功研发出全球首款12英寸高质量碳化硅外延晶片。这一技术飞跃不仅标志着中国在第三代半导体领域取得领先地位,更意味着碳化硅产业即将迎来成本与效率的双重革新。

 相较于当前主流的6英寸碳化硅外延晶片,以及尚处于产业化推进阶段的8英寸晶片,12英寸晶片凭借其直径的大幅增加,在相同生产流程下单片可承载的芯片数量实现惊人提升。具体而言,12英寸晶片可承载的芯片数量是6英寸晶片的4.4倍,是8英寸晶片的2.3倍。这种几何级数的提升将极大提高下游功率器件的生产效率,同时大幅降低碳化硅芯片的单位制造成本。

 更为关键的是,这一突破实现了核心供应链的国产化协同。瀚天天成此次推出的12英寸碳化硅外延晶片,外延设备采用晶盛机电旗下求是半导体的国产设备,衬底则由晶盛机电另一子公司浙江晶瑞提供,标志着我国在碳化硅高端材料领域的供应链自主可控能力进一步提升。

 第三代半导体的卓越性能

 碳化硅作为第三代半导体材料的代表,与第一代硅半导体相比具有显著的性能优势。其独特的物理特性使得碳化硅基器件能够在高频、高压、高温环境下稳定工作,同时实现系统更低的能耗、更小的体积和重量。

 在能效方面,碳化硅电力芯片可比传统硅器件减少能耗75%,这一特性对能源密集型应用领域具有革命性意义。例如,在电动汽车中应用碳化硅晶片,能在电池不变的情况下使汽车续航力增加约10%。这种能效提升对于实现“双碳”目标至关重要,这也是为什么碳化硅被视为支撑能源革命的核心材料。

 碳化硅的宽禁带特性使得单个器件可以承载上万伏电压,其高热导率保证了工作可靠性,高载流子迁移率则实现了省电节能。这些优势让碳化硅材料的性能呈现指数级提升,成为卫星通信、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通信基站等关键领域不可替代的核心材料。

 产业化应用的全景展望

 碳化硅材料的广泛应用性使其成为多个战略新兴产业的基石。在新能源汽车领域,碳化硅器件是电机控制器、车载充电器的核心组件,预计到2029年,电动汽车碳化硅功率器件将占全球碳化硅功率器件市场规模的74.4%,成为最大的终端应用市场。

 在新能源发电领域,碳化硅器件在光伏逆变器和风力发电装置中展现出显著优势。根据预测,碳化硅器件在光伏逆变器市场的渗透率将从2020年的约10%提升至2025年的50%,这一增长趋势充分体现了碳化硅在提升能源转换效率方面的价值。

 智能电网、高速轨道列车、航空航天等领域也对碳化硅器件产生迫切需求。例如,国家电网全球能源互联网研究院指出,采用碳化硅材料制成功率半导体器件,能够大幅提升支撑清洁能源为主体的新型电力系统建设运行所需各类电力电子设备的能量密度,这对于构建以新能源为主体的新型电力系统具有战略意义。

 产业生态的协同发展

 瀚天天成此次突破的深远意义不仅在于技术本身,更在于其对整个碳化硅产业生态的推动作用。作为中国首家实现商业化3英寸、4英寸、6英寸碳化硅外延晶片批量供应的生产商,瀚天天成在2023年已成为全球最大规模的碳化硅外延晶片供应商,2024年全球市场份额超过31%。

 从产业发展规律看,半导体行业竞争正逐步进入12英寸时代。数据显示,2025年全球拥有约200条12英寸硅晶圆生产线,预计全球销售超过1亿片12英寸硅晶圆。瀚天天成12英寸碳化硅外延晶片的成功开发,预示着碳化硅半导体产业竞争也将进入12英寸时代,技术领先的企业将形成强大的竞争优势。

 这一突破也为中国碳化硅产业链的完善注入强劲动力。随着下游市场需求持续增长,碳化硅外延行业迎来快速发展期。全球碳化硅外延晶片市场的销售额由2020年的4亿美元增至2024年的12亿美元,年复合增长率为34.7%。预计到2029年,市场规模将达到58亿美元,2024年至2029年的年复合增长率为38.2%。

 未来战略意义

 瀚天天成12英寸碳化硅外延晶片的成功研发,为中国在全球第三代半导体竞争中赢得了重要筹码。产品在关键性能指标上的优异表现——外延层厚度不均匀性控制在3%以内,掺杂浓度不均匀性≤8%,2mm×2mm芯片良率大于96%——充分满足了下游功率器件领域的高可靠性应用需求。

 随着5G通信、电动汽车等新兴产业对碳化硅材料的需求持续增长,大力发展碳化硅产业可引领带动原材料与设备两个千亿级产业,助力我国加快向高端材料、高端设备制造业转型发展。预计到2025年,仅新能源汽车领域的碳化硅外延片全球市场规模将达到约160亿元,中国市场约为78亿元,年复合增长率分别为92%和97%。

 从更广阔的视角看,碳化硅半导体产业的发展对于我国实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。碳化硅功率芯片和器件的固有特性,决定了其在实现光伏、风力等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车等电动化交通领域的电能高效转换优势,是推动能源革命不可或缺的技术支撑。

 瀚天天成的这一突破性创新,不仅体现了中国企业在第三代半导体领域的技术实力,更为全球半导体产业带来了新的发展动力。随着12英寸碳化硅外延晶片逐步实现批量供应,碳化硅产业有望迎来更加广阔的发展前景,为全球绿色低碳转型提供关键技术支撑。

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