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碳化硅衬底篇-DT新材料原创

2021/7/19 21:00:28      材料来源:DT新材料

随着下游新能源汽车、充电桩、光伏、5G基站等领域的爆发,引爆了对第三代半导体——碳化硅材料衬底、外延与器件方面的巨大市场需求,国内众多企业纷纷通过加强技术研发与资本投入布局碳化硅产业,今天我们首先来探讨一下碳化硅衬底的国产化进程。


 碳化硅衬底类型


碳化硅分为立方相(闪锌矿结构)、六方相(纤锌矿结构)和菱方相3大类共 260多种结构,目前只有六方相中的 4H-SiC6H-SiC才有商业价值。另碳化硅根据电学性能的不同主要可分为高电阻(电阻率 ≥105Ω·cm)的半绝缘型碳化硅衬底和低电阻(电阻率区间为 15~30mΩ·cm)的导电型碳化硅衬底,满足不同功能芯片需求,其中:

半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成氮化镓射频器件;

导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上,需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片,并在外延层上制造各类功率器件。


大尺寸碳化硅衬底有助于实现降本增效已成主流发展趋势衬底尺寸越大,单位衬底可生产更多的芯片,因而单位芯片成本越低,同时边缘浪费的减少将进一步降低芯片生产成本。目前业内企业量产的碳化硅衬底主要以4英寸和6英寸为主,在半绝缘型碳化硅市场,目前衬底规格以4英寸为主;而在导电型碳化硅市场,目前主流的衬底产品规格为6英寸。国际巨头CREE、II-VI以及国内的烁科晶体都已成功研发8英寸衬底产品。


碳化硅单晶制备技术

 

碳化硅衬底制备技术包括 PVT 法(物理气相传输法)、溶液法和HTCVD法(高温气相化学沉积法)等,目前国际上基本采用PVT法制备碳化硅单晶。 SiC单晶生长经历3个阶段,分别是Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC高温升华分解特性,可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体,它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间,在惰性气体(氩气)环境温度为 2 500℃的条件下进行升华生长,可以生成片状SiC晶体。但Lely法为自发成核生长方法,较难控制所生长SiC晶体的晶型,且得到的晶体尺寸很小,后来又出现了改良的Lely法,即PVT 法(物理气相传输法),其优点在于:采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型,克服了Lely法自发成核生长的缺点,可得到单一晶型的SiC单晶,且可生长较大尺寸的SiC单晶。

图1:SiC PVT法单晶生长原理图

来源:CNKI、DT新材料
 

为何半绝缘型与导电型碳化硅衬底技术壁垒都比较高

PVT方法中SiC粉料纯度对晶片质量具有较大影响。粉料中一般含有极微量的氮(N),硼(B)、铝(Al)、铁(F e)等杂质,其中氮是n型掺杂剂,在碳化硅中产生游离的电子,硼、铝是p型掺杂剂,产生游离的空穴。为了制备n型导电碳化硅晶片,在生长时需要通入氮气,让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅(半绝缘型),在生长时需要加入钒(V)杂质,钒既可以产生电子,也可以产生空穴,让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),它产生的空穴中和掉氮产生的电子,所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴,形成高阻不导电的晶片(半绝缘型)。掺钒工艺复杂所以半绝缘碳化硅很难制备成本很高近年来也出现了通过点缺陷来实现高阻半绝缘碳化硅的方法。p型导电碳化硅也不容易制备特别是低阻的p型碳化硅更不容易制备


下游市场需求强劲碳化硅衬底市场迎来黄金成长期

 

导电型碳化硅衬底方面,受益于新能源汽车逆变器的巨大需求,将保持高速增长态势,根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的数据显示,预计2020-2025年国内市场的需求,4英寸逐步从10万片市场减少到5万片,6英寸晶圆将从8万片增长到20万片;2025~2030年:4英寸晶圆将逐渐退出市场,6英寸晶圆将增长至40万片。


图2:中国导电型碳化硅衬底市场规模(万片)

来源:中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、DT新材料
 

半绝缘型碳化硅衬底方面,受下游5G基站强劲需求驱动,碳化硅基氮化镓高频射频器件将逐步加强市场渗透,市场空间广阔,预计2020-2025年国内市场的需求,4英寸逐步从5万片市场减少到2万片,6英寸晶圆将从5万片增长到10万片;2025~2030年:4英寸晶圆将逐渐退出市场,保守估计6英寸晶圆将增长至20万片。


图3:中国半绝缘型碳化硅衬底市场规模(万片)

来源:中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟、DT新材料

 

碳化硅衬底国产化进程大提速


全球碳化硅衬底代表企业主要有CREE、II-VI、SiCrystal,国际龙头企业相比国内企业由于起步早,在产业化经验、技术成熟度、产能规模等方面具备领先优势,抢占了全球碳化硅衬底绝大部分的市场份额。

 

图4:国际碳化硅衬底代表企业

来源:天岳先进招股书、DT新材料


图5:全球半绝缘型碳化硅衬底竞争格局


 

来源:天岳先进招股书、DT新材料

 

图6:全球导电型碳化硅衬底竞争格局

来源:中商产业研究院、DT新材料


随着下游终端市场,新能源汽车、光伏、5G基站等领域的快速增长,为上游碳化硅衬底提供了巨大的市场活力,国内以山东天岳、天科合达、烁科晶体等为代表的企业纷纷跑马圈地碳化硅衬底市场,通过加强技术研发与资本投入,逐渐掌握了4英寸至6英寸,甚至8英寸的碳化硅衬底制造技术,缩小了与国际龙头之间技术与产能方面的差距。

 


图7:国内碳化硅衬底代表企业

来源:DT新材料


第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅论坛

2021年11月18-20日 上海跨国采购会展中心
 

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