第三代半导体碳化硅衬底分类、技术指标、生长工艺、产业链、下游应用等解析

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-09-19 11:26:04 799

1、第三代半导体特性

(1)碳化硅

根据《中国战略性新兴产业：新材料(第三代半导体材料)》，与硅相比，碳化硅拥有更为优越的电气特性:

①耐高压：击穿电场强度大，是硅的10倍，用碳化硅制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。

②耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍，可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度般不能超过 300℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。

同时，碳化硅的热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅器件的散热，在同样的输出功率下保持更低的温度，碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化。

③实现高频的性能：碳化硅的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

基于这些优良的特性，碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求，已应用于射频器件及功率器件。

(2)氮化镓

氮化镓具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。氮化镓器件已有众多应用：在光电子器件领域，氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用，还可制备成氮化镓基激光器；在微波射频器件方面，氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事或者民用领域；氮化镓也可用于功率器件，其比传统器件具有更低的电源损耗。

2、碳化硅衬底类型和尺寸演进

碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的化合物半导体单晶材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，开发出更适应高压、高温、高功率、高频等条件的新一代半导体器件，具备广泛应用于5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车及充电桩、大数据中心等“新基建”领域的潜力。

①碳化硅衬底类型

衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣，为使材料能满足不同芯片的功能要求，需要制备电学性能不同的碳化硅衬底。按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为两类：根据工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》，一类是具有高电阻率(电阻率>电阻率≥100,000Ω·cm)的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率(电阻率区间为15~30mΩ·cm)的导电型碳化硅衬底。

碳化硅衬底可分为半绝缘型衬底和导电型衬底，具体情况如下：

②碳化硅衬底的尺寸演进

碳化硅衬底的尺寸(按直径计算)主要有2英寸(50mm)、3英寸(75mm)、4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前业内主要量产产品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技术研发储备上，以行业*者科锐公司的研发进程为例，科锐公司已成功研发并量产8英寸产品。

为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。

在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。

衬底制造中会产生无法达到半导体级要求的晶棒、不合格衬底等。这类非半导体级的半绝缘型碳化硅晶棒可作为宝石品棒用于加工制成莫桑钻等珠宝首饰进入消费品市场，或用于设备研发与测试等领域。不合格衬底可用于设备研发测试或科研等用途。

3、碳化硅衬底工艺

碳化硅衬底行业属于技术密集型行业，是材料、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟、机械等多学科交叉知识的应用。目前，业内以高纯碳粉高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法(PVT法)生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅衬底。

碳化硅衬底主要工序涉及原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节：

①原料合成

将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在2000℃以上的高温条件下于反应腔室内通过特定反应工艺，去除反应环境中残余的、反应微粉表面吸附的痕量杂质，使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定品型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。每一批进行取样测试纯度、颗粒度等。

②晶体生长

业内一般采用PVT法制备碳化硅单品。PVT法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在 2300℃ 以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含 Si、 Si2C、SiC2 等不同气相组分的反应气体，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源；由于固相升华反应形成的Si、C成分的气相分压不同，Si/C化学计量比随热场分布存在差异，需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输使组分输运至生长腔室既定的结品位置；

为了避免无序的气相结晶形成多晶态碳化硅，在生长腔室顶部设置碳化硅籽晶(种子)，输运至籽晶处的气相组分在气相组分过饱和度的驱动下在籽晶表面原子沉积，生长为碳化硅单品。

以上碳化硅单晶制备的整个固-气-固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内，反应系统的各个参数相互耦合，任意生长条件的波动都会导致整个单晶生长系统发生变化，影响碳化硅晶体生长的稳定性；此外，碳化硅单晶在其结晶取向上的不同密排结构存在多种原子连接键合方式，从而形成200多种碳化硅同质异构结构的晶型，且不同晶型之间的能量转化势垒极低。因此，在PVT单品生长系统中极易发生不同晶型的转化，导致目标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题。故需采用专用检测设备检测晶锭的晶型和各项缺陷。

③晶锭加工

将碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向，之后通过精密机械加工的方式磨平、滚圆，加工成标准直径尺寸和角度的碳化硅晶棒。对所有成型晶棒进行尺寸、角度等指标检测。

④晶棒切割

在考虑后续加工余量的前提下，使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割，并使用全自动测试设备进行翘曲度(Warp)、弯曲度(Bow)、厚度变化(TTV)等面型检测。

⑤切割片研磨

通过自有工艺配方的研磨液将切割片减薄到相应的厚度，并且消除表面的线痕及损伤。使用全自动测试设备及非接触电阻率测试仪对全部切割片进行面型及电学性能检测。

⑥研磨片抛光

通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光,用来消除表面划痕、降低表面粗糙度及消除加工应力等，使研磨片表面达到纳米级平整度。使用射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅抛光片的各项参数指标，据此判定抛光片的质量等级。

⑦抛光片清洗

在百级超净间内，通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗，去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等，甩干封装在洁净片盒内，形成可供客户开盒即用的碳化硅衬底。

4、碳化硅产业链

以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上，主要使用化学气相沉积法长(CVD法)在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。

碳化硅衬底的下游产业链如下：

①半绝缘型碳化硅衬底

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。

②)导电型碳化硅衬底

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。

5、碳化硅衬底的应用

（1）半绝缘型碳化硅衬底在射频器件上的应用

①主要应用情况及其优势

射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件主要为面向通信基站以及雷达应用的功率放大器。

目前主流的射频器件有砷化镓、硅基LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。根据 Analog Dialogue，砷化镓器件已在功率放大器上得到广泛应用；硅基LDMOS器件也已在通讯领域应用多年，但其主要应用于小于4GHz的低频率领域；碳化硅基氮化镓射频器件具有*的导热性能、高频率、高功率等优势，有望开启其广泛应用。

氮化镓射频器件是迄今为止最为理想的微波射频器件，因此成为 4G/5G移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心微波射频器件。氮化镓射频器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应用。

随着数据流量、更高工作频率和带宽等需求的不断增长，氮化镓器件在基站中应用越来越广泛。根据Yole预测，至2025年，功率在3W以上的射频器件市场中，砷化镓器件市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。

目前，氮化镓射频器件主要基于碳化硅、硅等异质衬底外延材料制备的，并在未来一段时期也是主要选择。相比较硅基氮化镓，碳化硅基氮化镓外延主要优势在其材料缺陷和位错密度低。碳化硅基氮化镓材料外延生长技术相对成熟，碳化硅衬底导热性好，适合于大功率应用，同时衬底电阻率高降低了射频损耗，因此碳化硅基氮化镓射频器件成为目前市场的主流。根据Yole报告，90%左右的氮化镓射频器件采用碳化硅衬底制备。

②)主要应用领域的发展情况

碳化硅基氮化镓射频器件已成功应用于众多领域，以无线通信基础设施和国防应用为主。无线通信基础设施方面，5G具有大容量、低时延、低功耗、高可靠性等特点，要求射频器件拥有更高的线性和更高的效率。

相比砷化镓和硅基LDMOS射频器件，以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具有碳化硅*的导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能，成为5G基站功率放大器的主流选择。

在国防*领域碳化硅基氮化镓射频器件已经代替了大部分砷化镓和部分硅基LDMOS器件，占据了大部分市场。对于需要高频高输出的卫星通信应用，氮化镓器件也有望逐步取代砷化镓的解决方案。

(2)导电型碳化硅衬底在功率器件上的应用

①主要应用情况及其优势

功率器件又被称为电力电子器件，是构成电力电子变换装置的核心器件。功率器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等碳化硅功率器件与硅功率器件的性能对比如下:

相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基 MOSFET相比，其尺寸可大幅减小至原来的 1/10，导通电阻可至少降低至原来的1/100。相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低70%。

碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势将极大地提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率，对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通智能电网等。

②主要应用领域的发展情况

A、电动汽车/充电桩

得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性，在车载级的电机驱动器OBC及DC/DC部分，碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品，由于成本的原因，目前使用比例还相对较低，但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势，通过降低冷却等系统的整体成本找到了利基市场。

电动驱动系统中，主逆变器负责控制电动机，是汽车的关键元器件，特斯拉Mode13的主逆变器采用了意法半导体生产的24个碳化硅MOSFET功率模块，是全球*家将碳化硅MOSFET应用于商用车主逆变器的OEM厂商。2020年12月，丰田汽车推出并公开发售“Mirai”燃料电池电动汽车，是丰田汽车*开始使用碳化硅功率器件。根据碳化硅器件特点和电动汽车的发展趋势，碳化硅器件是未来电动汽车的必然之选。

B、光伏新能源

光伏逆变器曾普遍采用硅器件，经过40多年的发展，转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点，将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如，在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里，碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。阳光电源等光伏逆变器龙头企业已将碳化硅器件应用至其组串式逆变器中。

C、轨道交通

碳化硅功率器件在轨道交通行业得到重要应用。未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压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这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前，受限于碳化硅功率器件的电流容量，碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。

D、智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量更低损耗的柔性输变电将对万伏级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电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

6、碳化硅的战略意义

碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点,具有开关速度快、效率高的优势可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积。

全球宽禁带半导体行业目前总体处于发展初期阶段，相比硅和砷化镓等半导体而言，在宽禁带半导体领域我国和国际巨头公司之间的整体技术差距相对较小。另外，由于宽禁带半导体的下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度，下游制造环节对设备的要求相对较低，投资额相对较小，制约宽禁带半导体行业快速发展的关键之一在上游材料端。

在5G基站建设、无线电探测、新能源汽车及充电桩等领域得到快速应用，并将在光伏新能源、轨道交通、智能电网等行业扩大应用。碳化硅在制造射频器件、功率器件等领域具有明显优势。但是在射频器件功率器件领域，碳化硅衬底的市场应用瓶颈为其较高的生产成本。影响碳化硅衬底成本的制约性因素在于生产速率慢、产品良率低，主要系：目前主流商用的PVT法晶体生长速度慢、缺陷控制难度大。

7、碳化硅单晶未来发展趋势

(1)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)、溶液法和高温气相化学沉积法等，目前商用碳化硅单晶生长均采用PVT法。PVT法制备碳化硅单晶的难度在于:

①碳化硅单晶生长设备设计与制造技术。碳化硅长晶炉是晶体制备的载体，也是晶体生长核心技术中的热场和工艺的重要组成部分。针对不同尺寸、不同导电性能的碳化硅单晶衬底，碳化硅长晶炉需要实现高真空度、低真空漏率等各项性能指标，为高质量晶体生长提供适合的热场实现条件。

②碳化硅粉料合成过程中的环境杂质多，难以获得高纯度的粉料；作为反应源的硅粉和碳粉反应不完全易造成Si/C 比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和颗粒粒度难控制。

③碳化硅单晶在2300℃ 以上高温的密闭石墨腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程，生长周期长、控制难度大，易产生微管、包裹物等缺陷。

④碳化硅单晶包括200多种不同晶型，但生产一般仅需一种晶型，生长过程中易产生晶型转变造成多型夹杂缺陷，制备过程中单一特定晶型难以稳定控制，例如目前主流的4H型。

⑤碳化硅单晶生长热场存在温度梯度，导致晶体生长过程中存在原生内应力及由此诱生的位错、层错等缺陷。

⑥碳化硅单晶生长过程中需要严格控制外部杂质的引入，从而获得极高纯度的半绝缘晶体或定向掺杂的导电型晶体。对于射频器件使用的半绝缘碳化硅衬底电学性能需要通过控制晶体中极低的杂质浓度及特定种类的点缺陷来实现。

⑦碳化硅衬底作为莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题；为了达到下游外延开盒即用的质量水平，需要对碳化硅衬底表面进行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并达到严苛的金属、颗粒控制要求。

碳化硅衬底及下游外延、器件成本降低的需求驱动碳化硅制备技术往更大的晶体尺寸、更优的衬底质量、更高的生长速率发展。

8、碳化硅衬底制备技术水平发展状况及未来发展趋势

①扩大衬底尺寸的技术要求

衬底直径是衡量晶体制备水平的重要指标之一，也是降低下游芯片制备成本的重要途径。扩径技术，即如何从小尺寸碳化硅单品制备出更大尺寸的碳化硅单品。

导电型碳化硅衬底以6英寸为主，8英寸衬底开始发展；半绝缘碳化硅衬底以4英寸为主，目前逐渐向6英寸衬底发展。6英寸衬底面积为4英寸衬底的2.25倍，相同的晶体制备时间内衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低，与此同时，单片衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的成本也即随之降低。

随着尺寸的增大，碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高。扩径技术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体迭代扩径生长，从而获得直径达标的高质量籽品，继而实现后续大尺寸籽晶的连续生长。

②改进电学性能

A、半绝缘型碳化硅衬底的高电阻率

半绝缘衬底制备工艺主要通过去除晶体中的各种杂质，特别是浅能级杂质实现晶体的本征高电阻率。

由于PVT法制备碳化硅衬底的高温物理条件下，生长反应腔室内的碳化硅粉料、石墨材料等都会释放出杂质并生长进入晶体中，从而影响晶体的纯度和电学性能。同时为了保证纯度，制备所需的关键反应物料的纯度要求也较高。

随着半绝缘型碳化硅衬底制备技术发展，使得碳化硅衬底纯度、晶体质量和电阻率不断提高，从而为器件性能的提升奠定了材料基础。目前，半绝缘型碳化硅衬底*企业已经普遍将电阻率稳定控制在100,000,000Ω·cm 以上。

B、导电型碳化硅衬底的低电阻率

导电型衬底要求实现更低的电阻率，可通过在晶体生长过程中引入氮元素呈现低阻电学性能。目前，国际*的碳化硅企业6英寸导电型碳化硅衬底电阻率在 0.015-0.028Q·cm之间，相应器件性能提升的需求则往往对衬底电阻率提出更严苛的要求。

导电型碳化硅晶体的电阻率会存在分布不均匀的情况，具体表现为:径向上的电阻率呈现为中心电阻率值低、边缘电阻率值高的特点，轴向上则呈现出生长前期低、后期高的特征。由于电阻率直接影响器件的导通特性，因此，获得低阻值、衬底面内电阻率径向分布均匀、不同衬底间电阻率值一致的导电衬底是实现功率器件性能优异的技术需求。

③降低微管密度

碳化硅晶体中最重要的结晶缺陷之一是微管，微管是延伸并贯穿整个晶棒的中空管道。微管的存在对于器件的应用是致命的，衬底中的微管存在的密度将直接决定外延层的结晶质量，器件区存在微管时将导致器件过高的漏电流甚至器件击穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅产业化应用的重要技术方向。随着微管缺陷改进技术的不断进步，国际*的碳化硅企业可以将微管密度稳定地控制在1每平方cm”以下。

行业正在通过多种措施降低碳化硅器件成本：在衬底方面，通过增大碳化硅衬底尺寸、升级制备技术、扩大衬底产能等，共同推动碳化硅衬底成本的降低：在制造方面，随着市场的开启，各大器件供应商扩产制造，随着规模扩大和制造技术不断成熟，也带来制造成本的降低；在市场方面，主要的产品供应商与大客户通过签订长期合作合同对市场进行锁定，供需双方共同推进市场渗透并形成良性循环。未来碳化硅器件的价格有望持续下降，其行业应用将快速发展。

9、主要玩家

①科锐公司(纳斯达克:CREE)

科锐公司成立于1987年，于1993年在美国纳斯达克上市。科锐公司的子公司 Wolfspeed 从事碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体衬底、功率器件、射频器件等产品的技术研究与生产制造;此外,科锐公司还曾从事LED 芯片及组件等业务。

科锐公司能够批量供应4英寸至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设8英寸产品生产线，目前科锐公司的碳化硅晶片供应量位居*前列。2020年10月13日，科锐公司将LED产品业务出售，全力争取电动汽车、5G 通信和工业应用等领域的增长机会。

②贰陆公司(纳斯达克:IVI)

贰陆公司成立于1971年，是工程材料、光电元件和光学系统领域的全球*企业，为材料加工、通信、航空航天与国防、生命科学、半导体设备、汽车和消费电子等领域的应用提供垂直整合解决方案，于1987年在美国纳斯达克上市贰陆公司能够提供4至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底。目前贰陆公司的碳化硅衬底供应量位居*前列。

③SiCrystal公司

德国SiCrystal公司是**的碳化硅衬底生产商，于2009年被日本罗姆公司收购，其生产的碳化硅衬底主要供应罗姆公司生产各种碳化硅器件。

④天科合达

天科合达是国内*的碳化硅衬底生产商之一,主要从事碳化硅领域相关产品研发、生产和销售，主要产品包括导电型碳化硅衬底、其他碳化硅产品和碳化硅单晶生长炉。

⑤天岳先进

山东天岳先进科技股份有限公司是一家国内*的宽禁带半导体材料生产商，主营业务是碳化硅半导体材料的研发、生产和销售，产品可广泛应用于微波电子、电力电子等领域。公司主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。

10、碳化硅衬底各尺寸产品的量产时间及大尺寸产品供应情况

行业龙头科锐成立于1987年、于1993年上市，贰陆公司成立于1971年、于1987年上市，具有数十年的研发和产业化经验，技术*优势明显。因此在碳化硅衬底各尺寸量产推出时间方面，国内与全球行业龙头企业存在差距：

以半绝缘型碳化硅衬底为例，在4英寸至6英寸衬底的量产时间上全球行业龙头企业分别早于国内10年以上及7年以上；截至目前，国内尚不具备8英寸衬底的量产能力，全球行业龙头企业已于2019年或以前具备8英寸衬底量产能力。