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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-SiC、6H-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：

l 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；

l 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