SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
半導(dǎo)體材料作為電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，經(jīng)歷了數(shù)代的更迭。隨著下游應(yīng)用場景提出更高要求，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化加速放量階段。
SiC性能
碳化硅SiC具有200多種晶型，以其主流的4H-SiC為例，其禁帶寬度為3.2eV，飽和電子遷移率、擊穿電場強(qiáng)度以及熱導(dǎo)率均優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體，具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件。
①耐高壓：擊穿電場強(qiáng)度大，是硅的10倍，用SiC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。SiC的禁帶接近硅的3倍，可以保證器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過 300℃，而SiC器件的極限工作溫度可以達(dá)到 600℃以上。同時(shí)，SiC的熱導(dǎo)率比硅更高，有助于器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，SiC器件也因此對散熱的設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。
③高頻性能：SiC的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍，這決定了SiC器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。
基于上述優(yōu)良特性，SiC襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、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，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、 光伏、工控、射頻通信等領(lǐng)域。
圖1：不同半導(dǎo)體材料性能對比
SiC產(chǎn)業(yè)鏈
SiC材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底材料的制備、外延層的生長、器件設(shè)計(jì)制造以及下游應(yīng)用市場。目前，SiC行業(yè)中的企業(yè)形成兩種商業(yè)模式，第一種覆蓋完整產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，同時(shí)從事SiC襯底、外延、器件及模組的制作，例如Wolfspeed、Rohm以及國內(nèi)的三安光電等；第二種則只從事產(chǎn)業(yè)鏈的單個(gè)環(huán)節(jié)或部分環(huán)節(jié)，如Ⅱ-Ⅵ僅從事襯底及外延的制備，英飛凌則只負(fù)責(zé)器件及模組的制造。當(dāng)前，國內(nèi)的SiC生產(chǎn)廠商大多屬于第二種商業(yè)模式，聚焦產(chǎn)業(yè)鏈部分環(huán)節(jié)。
圖2：SiC產(chǎn)業(yè)鏈
圖3：SiC產(chǎn)業(yè)鏈國內(nèi)外公司布局
SiC襯底
SiC襯底是由高純硅粉、碳粉合成為SiC粉體后，通過晶體生長成為晶錠，之后加工得到標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的SiC晶體，再經(jīng)過切磨拋工藝獲得表面無損傷的SiC拋光片，最后對其進(jìn)行檢測、清洗，交付下游外延廠商使用。
SiC 粉體可使用氣相法、液相法及固相法合成，目前產(chǎn)業(yè)中主要使用固相法中自蔓延高溫合成法，即將固態(tài)的 Si 源和C源作為原料，使其在 1400～2000℃的高溫下持續(xù)反應(yīng)，最后得到高純 SiC 粉體。這種方法原料便宜，合成質(zhì)量穩(wěn)定，合成效率高。目前各家襯底廠商基本自產(chǎn)高純 SiC 粉末。
在SiC粉體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行SiC單晶的生長。SiC單晶主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)法和液相外延法（LPE)法，目前 PVT 法由于設(shè)備易于制造、長晶過程更好控制以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)內(nèi)最成熟的工藝。其原理是通過將處于2000℃以上的 SiC 原料升華分解成氣相物質(zhì)，然后輸運(yùn)到溫度較低的籽晶處，從而結(jié)晶生成 SiC單晶。SiC晶體的生長環(huán)境復(fù)雜、工藝控制難度大，整體良率較低。據(jù)天岳先進(jìn)招股書披露，公司晶棒環(huán)節(jié)整體良率在50%左右。
生長完成的 SiC 晶錠在經(jīng)過初加工定型后，還需要經(jīng)過切磨拋環(huán)節(jié)制成SiC拋光片。由于SiC的硬度極大，在對其進(jìn)行切割時(shí)加工難度較高且磨損多。據(jù)天岳先進(jìn)招股書披露，公司襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)整體良率在75%左右。
根據(jù)電導(dǎo)率的不同，SiC襯底可以分為導(dǎo)電型和半絕緣型：電阻率≥10^6Ω·cm為半絕緣型SiC襯底，電阻率區(qū)間為 15~30mΩ·cm的導(dǎo)電型SiC襯底。目前半絕緣型SiC襯底的國產(chǎn)化率較高，天岳先進(jìn)在全球半絕緣型SiC襯底的市占率在30%以上，和II-IV、Wolfspeed等相當(dāng)。導(dǎo)電型SiC襯底的國產(chǎn)化成為當(dāng)前焦點(diǎn)：導(dǎo)電型襯底對應(yīng)下游新能源車、光伏等高成長性市場，國內(nèi)廠商如天科合達(dá)具有一定的收入規(guī)模，但占比較小。
圖4：碳化硅襯底制備流程
SiC外延
外延可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延，為了滿足 SiC 器件在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娮璧葏?shù)的特定要求，必須在襯底上進(jìn)行滿足條件的外延后才可制作器件，因此外延質(zhì)量的好壞將會影響器件的性能。
目前外延方式主要有兩種：一種是在導(dǎo)電型SiC襯底上外延SiC薄膜的同質(zhì)外延，主要用于MOSFET、IGBT等高壓功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，另一種是在半絕緣型SiC襯底上生長GaN 薄膜的異質(zhì)外延，用于GaN HEMT等中低壓功率半導(dǎo)體、射頻器件以及光電器件等。
外延工藝主要包括升華或物理氣相傳輸法PVT、分子束外延MBE、液相外延LPE以及化學(xué)氣相外延CVD。CVD是當(dāng)前主流的SiC同質(zhì)外延生產(chǎn)方式：采用 H2 作為載氣，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作為Si源與C源，在淀積室發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成 SiC分子并沉積在碳化硅襯底上。
SiC外延的關(guān)鍵參數(shù)包括厚度以及摻雜濃度均勻性。隨著下游器件應(yīng)用場景中電壓的增加，外延層厚度逐步增加，摻雜濃度降低。國內(nèi)SiC外延技術(shù)在中低壓領(lǐng)域可以做到較好的性能水平，但是在高壓領(lǐng)域仍相對落后。以龍頭Wolfspeed為例，其N型和P型的外延厚度均可做到200μm以上，而國內(nèi)外延廠商如瀚天天成、東莞天域等還處于30-40μm水平。
另外，外延設(shè)備也是限制SiC產(chǎn)能建設(shè)的一方面。外延生長設(shè)備目前被意大利的 LPE 公司、德國 AIXTRON 公司以及日本 Nuflare 和 TEL 公司所壟斷，主流 SiC 高溫外延設(shè)備交付周期已拉長至 1.5-2 年左右。國內(nèi)晶盛機(jī)電，北方華創(chuàng)等企業(yè)開始小批量生產(chǎn)碳化硅外延設(shè)備。
晶圓制造
SiC晶圓制造工藝與硅基半導(dǎo)體制造工藝基本一致，主要包括光刻、薄膜沉積、熱處理、清洗等環(huán)節(jié)。然而由于SiC獨(dú)特的材料特性，需要特定的設(shè)備進(jìn)行特定的工藝開發(fā)。
（1）在摻雜工藝中，傳統(tǒng)硅基材料可以用擴(kuò)散的方式完成摻雜，但由于SiC擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，無法使用擴(kuò)散工藝，只能采用高溫離子注入的方式；是否具備高溫離子注入機(jī)，是衡量SiC生產(chǎn)線的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。
（2）高溫離子注入后，材料原本的晶格結(jié)構(gòu)被破壞，需要用高溫退火工藝進(jìn)行修復(fù)。SiC退火溫度高達(dá) 1600℃，這對設(shè)備和工藝控制都帶來了極大的挑戰(zhàn)。
（3）SiC器件工作溫度可達(dá) 600℃以上，組成模塊的其他材料，如絕緣材料、焊料、電極材料、外殼等也無法與硅基器件通用；
（4）器件的引出電極材料也需要同時(shí)保證耐高溫和低接觸電阻，大部分材料難以同時(shí)滿足兩條要求。
圖5：碳化硅晶圓所需特定設(shè)備
發(fā)展趨勢
綜合來看，我國SiC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢可以總結(jié)為以下三點(diǎn)：
（1） 成本優(yōu)勢驅(qū)動襯底大尺寸化發(fā)展：襯底直徑為衡量晶體制備水平重要指標(biāo)之一，目前導(dǎo)電型碳化硅襯底以6英寸為主，8英寸襯底開始發(fā)展，而半絕緣碳化硅襯底以4英寸為主，逐漸向6英寸、8英寸方向發(fā)展。單片襯底制備芯片數(shù)量隨襯底尺寸增大而增多，同時(shí)邊緣芯片占比也顯著改善。從6寸到8寸，SiC器件成本降低20-35%，可以多切近90%數(shù)量芯片，邊緣浪費(fèi)降低7%。行業(yè)龍頭Wolfspeed已經(jīng)成功研發(fā)8英寸產(chǎn)品。
（2） 一體化趨勢：在SiC領(lǐng)域，IDM模式優(yōu)勢明顯，國內(nèi)外有實(shí)力公司均在企業(yè)完善襯底、外延及器件全產(chǎn)業(yè)鏈布局。國外廠商方面，意法半導(dǎo)體于2019年 12 月收購瑞典 Norstel，開始布局 SiC 襯底及外延；II-VI 公司在2020年收購Ascatron、INNOViON以及 GE 的 SiC IP 授權(quán)，進(jìn)一步垂直整合SiC業(yè)務(wù)。國內(nèi)廠商三安光電宣布投資160億元建設(shè)湖南三安半導(dǎo)體項(xiàng)目，將打造國內(nèi)首條、全球第三條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，碳化硅襯底、器件廠商往往與汽車等設(shè)備制造商簽訂長期合作協(xié)議，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同。
（3）國產(chǎn)化替代趨勢：SiC未來市場主要是由其在新能源汽車和光伏等領(lǐng)域的需求在推動。我國在新能源汽車和光伏領(lǐng)域的生產(chǎn)制造均處于國際領(lǐng)先地位，大部分原材料也實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，所以SiC就成了問題所在。在有了之前硅基先進(jìn)制程芯片被卡脖子的教訓(xùn)之后，相信在SiC領(lǐng)域會積極建設(shè)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈。目前SiC產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化主要存在兩個(gè)焦點(diǎn)：1是導(dǎo)電型襯底的突破及市場提升，對應(yīng)下游新能源車、光伏的市場需求；2是相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化，包括單晶爐設(shè)備、外延設(shè)備以及相應(yīng)的制程設(shè)備等。
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