近日，天成半导体正式宣布，依托自主研发设备成功研制出14 英寸（350mm）碳化硅单晶衬底的制备与核心性能验证，有效厚度达30㎜，实现了我国在超大尺寸碳化硅衬底领域的重大技术跨越。本次技术突破，不仅填补了国内在该领域的技术空白，也将全球碳化硅单晶衬底的研发尺寸纪录提升至新的量级，标志着我国在第三代半导体核心材料领域的研发能力跻身全球第一梯队。据参与研发的技术人员披露，本次制备的 14 英寸碳化硅单晶衬底为 n 型导电衬底，采用行业主流的物理气相传输（PVT）法生长，核心性能指标实现关键突破：衬底实现零微管缺陷，基面位错密度、刃位错密度等关键指标均达到当前 6 英寸量产级衬底的主流水平，晶体完整性、表面平整度均满足后续外延生长与器件制造的工艺要求。业内人士表示，碳化硅单晶衬底的尺寸升级，是半导体材料领域公认的世界级技术难题。与单晶硅采用的熔体拉晶工艺不同，碳化硅无常压熔点，需在 2300℃以上的超高温、高压环境下通过气相升华实现晶体生长，尺寸每提升一个等级，温场均匀性控制、晶体应力调控、缺陷抑制的难度便呈指数级上升。14 英寸碳化硅单晶的稳定生长，需要突破超高温热场设计、大尺寸晶体应力管控、超低缺陷生长工艺、超精密加工等一系列核心技术瓶颈，是材料学、热工学、精密制造等多学科技术能力的综合体现。作为第三代半导体的核心基础材料，碳化硅衬底的尺寸直接决定了碳化硅器件的制造成本、产能效率与产业化普及速度。数据显示，单颗 14 英寸碳化硅晶圆的有效芯片产出面积，是当前主流量产 6 英寸晶圆的 5.4 倍、8 英寸晶圆的 3.1 倍、12 英寸晶圆的 1.36 倍。在同等长晶周期与良率水平下，晶圆尺寸越大，单颗芯片分摊的衬底成本就越低，同时可显著提升芯片制造环节的生产效率。除此之外，超大尺寸碳化硅衬底可直接适配当前全球半导体行业主流的 12 英寸晶圆制造产线，无需对现有硅基产线进行大规模设备改造，即可实现碳化硅器件的规模化生产，大幅降低芯片制造企业的产线投入门槛。当前，全球碳化硅产业正处于尺寸升级的关键节点，大尺寸化已成为行业竞争的核心赛道，全球头部企业的技术竞赛已全面提速。在量产端，6 英寸碳化硅衬底仍是全球市场的绝对主流，占据 90% 以上的市场份额，国内天岳先进、烁科晶体、三安光电等企业已实现 6 英寸衬底的规模化量产与国产替代。在量产爬坡阶段，8 英寸衬底已成为国际巨头的核心布局方向，Wolfspeed、Coherent（原 II-VI）、意法半导体、安森美等企业已完成 8 英寸碳化硅衬底的量产验证，Wolfspeed 位于美国纽约州的莫霍克谷工厂已实现 8 英寸衬底的规模化量产。国内企业也已完成 8 英寸衬底的小批量试制，正在推进车规级等高端应用场景的量产认证。在研发端，12 英寸衬底此前是全球技术竞争的制高点，Wolfspeed、Coherent 分别于 2022 年、2023 年完成 12 英寸碳化硅衬底的样品制备与性能验证，本次国内 14 英寸衬底的技术突破，直接实现了研发端的技术跨越，在超大尺寸碳化硅衬底领域抢占了先发优势。本次 14 英寸碳化硅衬底的技术突破，对我国第三代半导体产业的发展具有里程碑式的意义。从供应链安全来看，我国是全球最大的碳化硅器件应用市场，新能源汽车、光伏储能两大核心应用场景的产能占全球 70% 以上，碳化硅器件市场规模增速连续多年保持全球第一，但此前高端碳化硅衬底长期依赖海外进口，大尺寸衬底技术被国际巨头垄断，本次突破打破了海外技术壁垒，为我国碳化硅产业链的自主可控奠定了核心材料基础。从产业降本来看，当前制约碳化硅器件大规模普及的核心瓶颈仍是成本，碳化硅衬底占器件制造成本的比重超过 40%，业内测算，若 14 英寸衬底实现规模化量产，碳化硅器件的综合制造成本有望较 6 英寸方案下降 50% 以上，将大幅推动碳化硅在新能源汽车、光伏储能、AI 数据中心、工业控制等领域的全面普及。业内专家同时指出，实验室技术突破到规模化量产仍有较长的产业化路径要走。从行业发展规律来看，8 英寸碳化硅衬底从实验室样品到规模化量产，全球头部企业用了近 10 年的时间完成技术迭代与良率爬坡。14 英寸碳化硅衬底的产业化，还需要解决长晶良率提升、超精密加工工艺配套、外延与器件制造工艺适配、产业链上下游协同验证等一系列问题，短期内仍无法替代 6 英寸、8 英寸衬底的市场主流地位。但不可否认的是，本次突破已正式拉开了全球碳化硅 12 英寸及以上超大尺寸技术竞赛的序幕。随着 AI 数据中心、新能源汽车、新型储能等场景对碳化硅器件的需求持续爆发，全球碳化硅市场规模预计将在 2030 年突破 500 亿美元，巨大的市场空间正推动全球头部企业持续加大对大尺寸衬底的研发与产能投入，技术迭代速度将持续加快。未来 3-5 年，全球碳化硅产业将迎来从 6 英寸向 8 英寸的全面量产切换，同时 12 英寸及以上超大尺寸衬底的验证与中试工作也将全面提速，全球碳化硅产业的大尺寸化进程已进入快车道。
