第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底分類(lèi)、技術(shù)指標(biāo)、生長(zhǎng)工藝、產(chǎn)業(yè)鏈、下游應(yīng)用等解析

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2024-08-15 09:00:51 606

1、第三代半導(dǎo)體特性

(1)碳化硅

根據(jù)《中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)：新材料(第三代半導(dǎo)體材料)》，與硅相比，碳化硅擁有更為優(yōu)越的電氣特性:

①耐高壓：擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大，是硅的10倍，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗。

②耐高溫：半導(dǎo)體器件在較高的溫度下，會(huì)產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度般不能超過(guò) 300℃，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到600℃以上。

同時(shí)，碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高，高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對(duì)散熱的設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

③實(shí)現(xiàn)高頻的性能：碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。

基于這些優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿(mǎn)足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

(2)氮化鎵

氮化鎵具有寬禁帶、高電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、耐高電壓、耐高溫、抗腐蝕、耐輻照等突出優(yōu)點(diǎn)。氮化鎵器件已有眾多應(yīng)用：在光電子器件領(lǐng)域，氮化鎵器件作為L(zhǎng)ED照明光源已廣泛應(yīng)用，還可制備成氮化鎵基激光器；在微波射頻器件方面，氮化鎵器件可用于有源相控陣?yán)走_(dá)、無(wú)線電通信、基站、衛(wèi)星等軍事或者民用領(lǐng)域；氮化鎵也可用于功率器件，其比傳統(tǒng)器件具有更低的電源損耗。

2、碳化硅襯底類(lèi)型和尺寸演進(jìn)

碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導(dǎo)體單晶材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)，可有效突破傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件及其材料的物理極限，開(kāi)發(fā)出更適應(yīng)高壓、高溫、高功率、高頻等條件的新一代半導(dǎo)體器件，具備廣泛應(yīng)用于5G基站建設(shè)、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車(chē)及充電樁、大數(shù)據(jù)中心等“新基建”領(lǐng)域的潛力。

①碳化硅襯底類(lèi)型

襯底電學(xué)性能決定了下游芯片功能與性能的優(yōu)劣，為使材料能滿(mǎn)足不同芯片的功能要求，需要制備電學(xué)性能不同的碳化硅襯底。按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為兩類(lèi)：根據(jù)工信部發(fā)布的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》，一類(lèi)是具有高電阻率(電阻率>電阻率≥100,000Ω·cm)的半絕緣型碳化硅襯底，另一類(lèi)是低電阻率(電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm)的導(dǎo)電型碳化硅襯底。

碳化硅襯底可分為半絕緣型襯底和導(dǎo)電型襯底，具體情況如下：

②碳化硅襯底的尺寸演進(jìn)

碳化硅襯底的尺寸(按直徑計(jì)算)主要有2英寸(50mm)、3英寸(75mm)、4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)等規(guī)格。碳化硅襯底正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前業(yè)內(nèi)主要量產(chǎn)產(chǎn)品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備上，以行業(yè)*者科銳公司的研發(fā)進(jìn)程為例，科銳公司已成功研發(fā)并量產(chǎn)8英寸產(chǎn)品。

為提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低。襯底的尺寸越大，邊緣的浪費(fèi)就越小，有利于進(jìn)一步降低芯片的成本。

在半絕緣型碳化硅市場(chǎng)，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為4英寸。在導(dǎo)電型碳化硅市場(chǎng)，目前主流的襯底產(chǎn)品規(guī)格為6英寸。

襯底制造中會(huì)產(chǎn)生無(wú)法達(dá)到半導(dǎo)體級(jí)要求的晶棒、不合格襯底等。這類(lèi)非半導(dǎo)體級(jí)的半絕緣型碳化硅晶棒可作為寶石品棒用于加工制成莫桑鉆等珠寶首飾進(jìn)入消費(fèi)品市場(chǎng)，或用于設(shè)備研發(fā)與測(cè)試等領(lǐng)域。不合格襯底可用于設(shè)備研發(fā)測(cè)試或科研等用途。

3、碳化硅襯底工藝

碳化硅襯底行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)，是材料、熱動(dòng)力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真模擬、機(jī)械等多學(xué)科交叉知識(shí)的應(yīng)用。目前，業(yè)內(nèi)以高純碳粉高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場(chǎng)下，采用成熟的物理氣相傳輸法(PVT法)生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠，經(jīng)過(guò)多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。

碳化硅襯底主要工序涉及原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環(huán)節(jié)：

①原料合成

將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合，在2000℃以上的高溫條件下于反應(yīng)腔室內(nèi)通過(guò)特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)合成特定品型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗等工序，制得滿(mǎn)足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅粉原料。每一批進(jìn)行取樣測(cè)試純度、顆粒度等。

②晶體生長(zhǎng)

業(yè)內(nèi)一般采用PVT法制備碳化硅單品。PVT法通過(guò)感應(yīng)加熱的方式在密閉生長(zhǎng)腔室內(nèi)在 2300℃ 以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含 Si、 Si2C、SiC2 等不同氣相組分的反應(yīng)氣體，通過(guò)固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源；由于固相升華反應(yīng)形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學(xué)計(jì)量比隨熱場(chǎng)分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場(chǎng)和溫梯進(jìn)行分布和傳輸使組分輸運(yùn)至生長(zhǎng)腔室既定的結(jié)品位置；

為了避免無(wú)序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長(zhǎng)腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶(種子)，輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過(guò)飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積，生長(zhǎng)為碳化硅單品。

以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固-氣-固反應(yīng)過(guò)程都處于一個(gè)完整且密閉的生長(zhǎng)腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合，任意生長(zhǎng)條件的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性；此外，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式，從而形成200多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢(shì)壘極低。因此，在PVT單品生長(zhǎng)系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。故需采用專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。

③晶錠加工

將碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后通過(guò)精密機(jī)械加工的方式磨平、滾圓，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對(duì)所有成型晶棒進(jìn)行尺寸、角度等指標(biāo)檢測(cè)。

④晶棒切割

在考慮后續(xù)加工余量的前提下，使用金剛石細(xì)線將碳化硅晶棒切割成滿(mǎn)足客戶(hù)需求的不同厚度的切割，并使用全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行翹曲度(Warp)、彎曲度(Bow)、厚度變化(TTV)等面型檢測(cè)。

⑤切割片研磨

通過(guò)自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度，并且消除表面的線痕及損傷。使用全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備及非接觸電阻率測(cè)試儀對(duì)全部切割片進(jìn)行面型及電學(xué)性能檢測(cè)。

⑥研磨片拋光

通過(guò)配比好的拋光液對(duì)研磨片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光,用來(lái)消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等，使研磨片表面達(dá)到納米級(jí)平整度。使用射線衍射儀、原子力顯微鏡、表面平整度測(cè)試儀、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備，檢測(cè)碳化硅拋光片的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級(jí)。

⑦拋光片清洗

在百級(jí)超凈間內(nèi)，通過(guò)特定配比的化學(xué)試劑及去離子水對(duì)清洗機(jī)內(nèi)的拋光片進(jìn)行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒、金屬離子、有機(jī)沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi)，形成可供客戶(hù)開(kāi)盒即用的碳化硅襯底。

4、碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的器件制造以及下游應(yīng)用市場(chǎng)。在碳化硅襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法長(zhǎng)(CVD法)在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。

碳化硅襯底的下游產(chǎn)業(yè)鏈如下：

①半絕緣型碳化硅襯底

半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成氮化鎵射頻器件。

②)導(dǎo)電型碳化硅襯底

導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造各類(lèi)功率器件。

5、碳化硅襯底的應(yīng)用

（1）半絕緣型碳化硅襯底在射頻器件上的應(yīng)用

①主要應(yīng)用情況及其優(yōu)勢(shì)

射頻器件在無(wú)線通訊中扮演信號(hào)轉(zhuǎn)換的角色，主要包括功率放大器、濾波器、開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、雙工器等。半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件主要為面向通信基站以及雷達(dá)應(yīng)用的功率放大器。

目前主流的射頻器件有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類(lèi)型。根據(jù) Analog Dialogue，砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應(yīng)用；硅基LDMOS器件也已在通訊領(lǐng)域應(yīng)用多年，但其主要應(yīng)用于小于4GHz的低頻率領(lǐng)域；碳化硅基氮化鎵射頻器件具有*的導(dǎo)熱性能、高頻率、高功率等優(yōu)勢(shì)，有望開(kāi)啟其廣泛應(yīng)用。

氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件，因此成為 4G/5G移動(dòng)通訊系統(tǒng)、新一代有源相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的核心微波射頻器件。氮化鎵射頻器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著數(shù)據(jù)流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長(zhǎng)，氮化鎵器件在基站中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，至2025年，功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中，砷化鎵器件市場(chǎng)份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。

目前，氮化鎵射頻器件主要基于碳化硅、硅等異質(zhì)襯底外延材料制備的，并在未來(lái)一段時(shí)期也是主要選擇。相比較硅基氮化鎵，碳化硅基氮化鎵外延主要優(yōu)勢(shì)在其材料缺陷和位錯(cuò)密度低。碳化硅基氮化鎵材料外延生長(zhǎng)技術(shù)相對(duì)成熟，碳化硅襯底導(dǎo)熱性好，適合于大功率應(yīng)用，同時(shí)襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此碳化硅基氮化鎵射頻器件成為目前市場(chǎng)的主流。根據(jù)Yole報(bào)告，90%左右的氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制備。

②)主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況

碳化硅基氮化鎵射頻器件已成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，以無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防應(yīng)用為主。無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施方面，5G具有大容量、低時(shí)延、低功耗、高可靠性等特點(diǎn)，要求射頻器件擁有更高的線性和更高的效率。

相比砷化鎵和硅基LDMOS射頻器件，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具有碳化硅*的導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能，成為5G基站功率放大器的主流選擇。

在國(guó)防*領(lǐng)域碳化硅基氮化鎵射頻器件已經(jīng)代替了大部分砷化鎵和部分硅基LDMOS器件，占據(jù)了大部分市場(chǎng)。對(duì)于需要高頻高輸出的衛(wèi)星通信應(yīng)用，氮化鎵器件也有望逐步取代砷化鎵的解決方案。

(2)導(dǎo)電型碳化硅襯底在功率器件上的應(yīng)用

①主要應(yīng)用情況及其優(yōu)勢(shì)

功率器件又被稱(chēng)為電力電子器件，是構(gòu)成電力電子變換裝置的核心器件。功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等碳化硅功率器件與硅功率器件的性能對(duì)比如下:

相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET與硅基 MOSFET相比，其尺寸可大幅減小至原來(lái)的 1/10，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來(lái)的1/100。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大降低70%。

碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車(chē)/充電樁、光伏新能源、軌道交通智能電網(wǎng)等。

②主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況

A、電動(dòng)汽車(chē)/充電樁

得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性，在車(chē)載級(jí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器OBC及DC/DC部分，碳化硅器件的使用已經(jīng)比較普遍。對(duì)于非車(chē)載充電樁產(chǎn)品，由于成本的原因，目前使用比例還相對(duì)較低，但部分廠商已開(kāi)始利用碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)降低冷卻等系統(tǒng)的整體成本找到了利基市場(chǎng)。

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主逆變器負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī)，是汽車(chē)的關(guān)鍵元器件，特斯拉Mode13的主逆變器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的24個(gè)碳化硅MOSFET功率模塊，是全球*家將碳化硅MOSFET應(yīng)用于商用車(chē)主逆變器的OEM廠商。2020年12月，豐田汽車(chē)推出并公開(kāi)發(fā)售“Mirai”燃料電池電動(dòng)汽車(chē)，是豐田汽車(chē)*開(kāi)始使用碳化硅功率器件。根據(jù)碳化硅器件特點(diǎn)和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，碳化硅器件是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的必然之選。

B、光伏新能源

光伏逆變器曾普遍采用硅器件，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，轉(zhuǎn)換效率和功率密度等已接近理論極限。碳化硅器件具有低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率、高適用性、降低系統(tǒng)散熱要求等優(yōu)點(diǎn)，將在光伏新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統(tǒng)級(jí)層面帶來(lái)成本和效能的好處。陽(yáng)光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中。

C、軌道交通

碳化硅功率器件在軌道交通行業(yè)得到重要應(yīng)用。未來(lái)軌道交通對(duì)電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。目前，受限于碳化硅功率器件的電流容量，碳化硅混合模塊將首先開(kāi)始替代部分硅IGBT模塊。

D、智能電網(wǎng)

目前碳化硅器件已經(jīng)在中低壓配電網(wǎng)開(kāi)始了應(yīng)用。未來(lái)更高電壓、更大容量更低損耗的柔性輸變電將對(duì)萬(wàn)伏級(jí)以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置中。

6、碳化硅的戰(zhàn)略意義

碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點(diǎn),具有開(kāi)關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì)可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積。

全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體行業(yè)目前總體處于發(fā)展初期階段，相比硅和砷化鎵等半導(dǎo)體而言，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域我國(guó)和國(guó)際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對(duì)較小。另外，由于寬禁帶半導(dǎo)體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度，下游制造環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備的要求相對(duì)較低，投資額相對(duì)較小，制約寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵之一在上游材料端。

在5G基站建設(shè)、無(wú)線電探測(cè)、新能源汽車(chē)及充電樁等領(lǐng)域得到快速應(yīng)用，并將在光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用。碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。但是在射頻器件功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場(chǎng)應(yīng)用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT法晶體生長(zhǎng)速度慢、缺陷控制難度大。

7、碳化硅單晶未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

(1)碳化硅單晶制備技術(shù)

碳化硅襯底制備技術(shù)包括PVT法(物理氣相傳輸法)、溶液法和高溫氣相化學(xué)沉積法等，目前商用碳化硅單晶生長(zhǎng)均采用PVT法。PVT法制備碳化硅單晶的難度在于:

①碳化硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。碳化硅長(zhǎng)晶爐是晶體制備的載體，也是晶體生長(zhǎng)核心技術(shù)中的熱場(chǎng)和工藝的重要組成部分。針對(duì)不同尺寸、不同導(dǎo)電性能的碳化硅單晶襯底，碳化硅長(zhǎng)晶爐需要實(shí)現(xiàn)高真空度、低真空漏率等各項(xiàng)性能指標(biāo)，為高質(zhì)量晶體生長(zhǎng)提供適合的熱場(chǎng)實(shí)現(xiàn)條件。

②碳化硅粉料合成過(guò)程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C 比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。

③碳化硅單晶在2300℃ 以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過(guò)程，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。

④碳化硅單晶包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長(zhǎng)過(guò)程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐啥嘈蛫A雜缺陷，制備過(guò)程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，例如目前主流的4H型。

⑤碳化硅單晶生長(zhǎng)熱場(chǎng)存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過(guò)程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷。

⑥碳化硅單晶生長(zhǎng)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制外部雜質(zhì)的引入，從而獲得極高純度的半絕緣晶體或定向摻雜的導(dǎo)電型晶體。對(duì)于射頻器件使用的半絕緣碳化硅襯底電學(xué)性能需要通過(guò)控制晶體中極低的雜質(zhì)濃度及特定種類(lèi)的點(diǎn)缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

⑦碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工過(guò)程中存在易開(kāi)裂問(wèn)題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題；為了達(dá)到下游外延開(kāi)盒即用的質(zhì)量水平，需要對(duì)碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆粒控制要求。

碳化硅襯底及下游外延、器件成本降低的需求驅(qū)動(dòng)碳化硅制備技術(shù)往更大的晶體尺寸、更優(yōu)的襯底質(zhì)量、更高的生長(zhǎng)速率發(fā)展。

8、碳化硅襯底制備技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

①擴(kuò)大襯底尺寸的技術(shù)要求

襯底直徑是衡量晶體制備水平的重要指標(biāo)之一，也是降低下游芯片制備成本的重要途徑。擴(kuò)徑技術(shù)，即如何從小尺寸碳化硅單品制備出更大尺寸的碳化硅單品。

導(dǎo)電型碳化硅襯底以6英寸為主，8英寸襯底開(kāi)始發(fā)展；半絕緣碳化硅襯底以4英寸為主，目前逐漸向6英寸襯底發(fā)展。6英寸襯底面積為4英寸襯底的2.25倍，相同的晶體制備時(shí)間內(nèi)襯底面積的倍數(shù)提升帶來(lái)襯底成本的大幅降低，與此同時(shí)，單片襯底上制備的芯片數(shù)量隨著襯底尺寸增大而增多，單位芯片的成本也即隨之降低。

隨著尺寸的增大，碳化硅單晶擴(kuò)徑技術(shù)的要求越來(lái)越高。擴(kuò)徑技術(shù)需要綜合考慮熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體制備工藝設(shè)計(jì)等多方面的技術(shù)控制要素，最終實(shí)現(xiàn)晶體迭代擴(kuò)徑生長(zhǎng)，從而獲得直徑達(dá)標(biāo)的高質(zhì)量籽品，繼而實(shí)現(xiàn)后續(xù)大尺寸籽晶的連續(xù)生長(zhǎng)。

②改進(jìn)電學(xué)性能

A、半絕緣型碳化硅襯底的高電阻率

半絕緣襯底制備工藝主要通過(guò)去除晶體中的各種雜質(zhì)，特別是淺能級(jí)雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)晶體的本征高電阻率。

由于PVT法制備碳化硅襯底的高溫物理?xiàng)l件下，生長(zhǎng)反應(yīng)腔室內(nèi)的碳化硅粉料、石墨材料等都會(huì)釋放出雜質(zhì)并生長(zhǎng)進(jìn)入晶體中，從而影響晶體的純度和電學(xué)性能。同時(shí)為了保證純度，制備所需的關(guān)鍵反應(yīng)物料的純度要求也較高。

隨著半絕緣型碳化硅襯底制備技術(shù)發(fā)展，使得碳化硅襯底純度、晶體質(zhì)量和電阻率不斷提高，從而為器件性能的提升奠定了材料基礎(chǔ)。目前，半絕緣型碳化硅襯底*企業(yè)已經(jīng)普遍將電阻率穩(wěn)定控制在100,000,000Ω·cm 以上。

B、導(dǎo)電型碳化硅襯底的低電阻率

導(dǎo)電型襯底要求實(shí)現(xiàn)更低的電阻率，可通過(guò)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中引入氮元素呈現(xiàn)低阻電學(xué)性能。目前，國(guó)際*的碳化硅企業(yè)6英寸導(dǎo)電型碳化硅襯底電阻率在 0.015-0.028Q·cm之間，相應(yīng)器件性能提升的需求則往往對(duì)襯底電阻率提出更嚴(yán)苛的要求。

導(dǎo)電型碳化硅晶體的電阻率會(huì)存在分布不均勻的情況，具體表現(xiàn)為:徑向上的電阻率呈現(xiàn)為中心電阻率值低、邊緣電阻率值高的特點(diǎn)，軸向上則呈現(xiàn)出生長(zhǎng)前期低、后期高的特征。由于電阻率直接影響器件的導(dǎo)通特性，因此，獲得低阻值、襯底面內(nèi)電阻率徑向分布均勻、不同襯底間電阻率值一致的導(dǎo)電襯底是實(shí)現(xiàn)功率器件性能優(yōu)異的技術(shù)需求。

③降低微管密度

碳化硅晶體中最重要的結(jié)晶缺陷之一是微管，微管是延伸并貫穿整個(gè)晶棒的中空管道。微管的存在對(duì)于器件的應(yīng)用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結(jié)晶質(zhì)量，器件區(qū)存在微管時(shí)將導(dǎo)致器件過(guò)高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要技術(shù)方向。隨著微管缺陷改進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)際*的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1每平方cm”以下。

行業(yè)正在通過(guò)多種措施降低碳化硅器件成本：在襯底方面，通過(guò)增大碳化硅襯底尺寸、升級(jí)制備技術(shù)、擴(kuò)大襯底產(chǎn)能等，共同推動(dòng)碳化硅襯底成本的降低：在制造方面，隨著市場(chǎng)的開(kāi)啟，各大器件供應(yīng)商擴(kuò)產(chǎn)制造，隨著規(guī)模擴(kuò)大和制造技術(shù)不斷成熟，也帶來(lái)制造成本的降低；在市場(chǎng)方面，主要的產(chǎn)品供應(yīng)商與大客戶(hù)通過(guò)簽訂長(zhǎng)期合作合同對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行鎖定，供需雙方共同推進(jìn)市場(chǎng)滲透并形成良性循環(huán)。未來(lái)碳化硅器件的價(jià)格有望持續(xù)下降，其行業(yè)應(yīng)用將快速發(fā)展。

9、主要玩家

①科銳公司(納斯達(dá)克:CREE)

科銳公司成立于1987年，于1993年在美國(guó)納斯達(dá)克上市?？其J公司的子公司 Wolfspeed 從事碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體襯底、功率器件、射頻器件等產(chǎn)品的技術(shù)研究與生產(chǎn)制造;此外,科銳公司還曾從事LED 芯片及組件等業(yè)務(wù)。

科銳公司能夠批量供應(yīng)4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè)8英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線，目前科銳公司的碳化硅晶片供應(yīng)量位居*前列。2020年10月13日，科銳公司將LED產(chǎn)品業(yè)務(wù)出售，全力爭(zhēng)取電動(dòng)汽車(chē)、5G 通信和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。

②貳陸公司(納斯達(dá)克:IVI)

貳陸公司成立于1971年，是工程材料、光電元件和光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的全球*企業(yè)，為材料加工、通信、航空航天與國(guó)防、生命科學(xué)、半導(dǎo)體設(shè)備、汽車(chē)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供垂直整合解決方案，于1987年在美國(guó)納斯達(dá)克上市貳陸公司能夠提供4至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底。目前貳陸公司的碳化硅襯底供應(yīng)量位居*前列。

③SiCrystal公司

德國(guó)SiCrystal公司是**的碳化硅襯底生產(chǎn)商，于2009年被日本羅姆公司收購(gòu)，其生產(chǎn)的碳化硅襯底主要供應(yīng)羅姆公司生產(chǎn)各種碳化硅器件。

④天科合達(dá)

天科合達(dá)是國(guó)內(nèi)*的碳化硅襯底生產(chǎn)商之一,主要從事碳化硅領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，主要產(chǎn)品包括導(dǎo)電型碳化硅襯底、其他碳化硅產(chǎn)品和碳化硅單晶生長(zhǎng)爐。

⑤天岳先進(jìn)

山東天岳先進(jìn)科技股份有限公司是一家國(guó)內(nèi)*的寬禁帶半導(dǎo)體材料生產(chǎn)商，主營(yíng)業(yè)務(wù)是碳化硅半導(dǎo)體材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于微波電子、電力電子等領(lǐng)域。公司主要產(chǎn)品包括半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底。

10、碳化硅襯底各尺寸產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間及大尺寸產(chǎn)品供應(yīng)情況

行業(yè)龍頭科銳成立于1987年、于1993年上市，貳陸公司成立于1971年、于1987年上市，具有數(shù)十年的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)*優(yōu)勢(shì)明顯。因此在碳化硅襯底各尺寸量產(chǎn)推出時(shí)間方面，國(guó)內(nèi)與全球行業(yè)龍頭企業(yè)存在差距：

以半絕緣型碳化硅襯底為例，在4英寸至6英寸襯底的量產(chǎn)時(shí)間上全球行業(yè)龍頭企業(yè)分別早于國(guó)內(nèi)10年以上及7年以上；截至目前，國(guó)內(nèi)尚不具備8英寸襯底的量產(chǎn)能力，全球行業(yè)龍頭企業(yè)已于2019年或以前具備8英寸襯底量產(chǎn)能力。

行業(yè)龍頭科銳能夠批量供應(yīng)4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè)8英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線。

②)碳化硅襯底產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)

碳化硅襯底產(chǎn)品的核心技術(shù)參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。上述技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的具體含義如下:

免責(zé)聲明：本文采摘自“老虎說(shuō)芯”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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