碳化硅性能、技術(shù)壁壘及制造工藝分析

碳化硅具有耐高溫、高壓與高頻、低功耗等優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的硅（Si）材料制備和工藝日臻完美，硅基功率器件的設(shè)計(jì)和開 發(fā)也經(jīng)過了數(shù)輪的升級(jí)迭代，器件性能逐漸逼近硅材料的極限，性能提升空間有限。現(xiàn)代 電力電子技術(shù)在高溫、高壓、高頻等方面對(duì)于半導(dǎo)體材料提出了更高要求。由硅和碳組成 的化合物半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）是第三代化合物半導(dǎo)體的典型代表，和第一代以硅為 主、第二代以砷化鎵為主的半導(dǎo)體材料相比，SiC 具有禁帶寬度大、飽和電子漂移率高、 熱導(dǎo)系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，因此適用于生產(chǎn)大功率、耐高溫、耐高壓的功率器件。

SiC 材料的禁帶寬度是 Si 材料的 3 倍左右，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)是 Si 的 10 倍，能夠耐受更高 的電壓。單位面積阻隔電壓的能力是 Si 的 7 倍，熱導(dǎo)率也超過 Si 3 倍。其電子漂移速度 大概是 Si 的 2 倍多，這樣的物理特性可以讓 SiC 功率器件運(yùn)行在更高的電壓下。此外， SiC 功率器件因?yàn)楦鞣矫嫠俾瘦^高，可以讓 SiC 功率器件在滿足輕薄短小的體積要求下， 獲得更高的開關(guān)頻率、更高的功率密度和更好的散熱性能。

襯底的電學(xué)性能決定下游芯片功能與性能的優(yōu)劣，為使材料能滿足不同芯片的功能要求， 需要制備電學(xué)性能不同的襯底。按照電學(xué)性能的不同，SiC 襯底可分為兩類：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）》，一類是具有高電阻率（電 阻率≥10^5Ω·cm）的半絕緣型SiC襯底，另一類是低電阻率（電阻率區(qū)間為 15~30mΩ·cm） 的導(dǎo)電型 SiC 襯底。

SiC 襯底通常使用化學(xué)氣相沉積（CVD）在晶片上形成一層外延片。在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng) SiC 外延層制備 SiC 同質(zhì)外延片，進(jìn)而制成的肖特基二極管、MosFET、IGBT 等 SiC 功 率器件，下游主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)和航空航天等領(lǐng)域。 在半絕緣型 SiC 襯底上生長(zhǎng)的 GaN 異質(zhì)外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）外 延片，可制成 HEMT 等微波射頻器件，主要應(yīng)用于 5G 通訊、無線電探測(cè)等領(lǐng)域。

在 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底部分占據(jù)了重要的價(jià)值份額。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，襯底 是 SiC 功率器件制造過程中成本占比最高的環(huán)節(jié)，占比達(dá) 47%，而在傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體 器件中，硅片襯底的占比通常不超過 10%，造成 SiC 襯底和 Si 襯底價(jià)值占比顯著差異的 主要原因在于 SiC 單晶材料制備的復(fù)雜性更高；SiC 器件價(jià)值量占比第二大的是外延部分 的成本，占比為 23%，目前襯底和外延這兩大工序是 SiC 功率器件制備中最重要的環(huán)節(jié)。

SiC 晶體的生長(zhǎng)和襯底的加工是目前 SiC 行業(yè)的主要技術(shù)壁壘： 1）溫度要求高：相較硅基襯底，SiC 襯底在晶體生長(zhǎng)的過程中溫度很高（通常在 2000℃ 以上）且不可實(shí)時(shí)監(jiān)控，工藝難度高； 2）長(zhǎng)晶速度慢：從晶體的生長(zhǎng)周期來看，SiC 晶體需要一周的時(shí)間才能長(zhǎng)出 2cm 的晶 錠，而傳統(tǒng)的硅材料僅需 2-3 天就能生長(zhǎng)出近 2m 長(zhǎng)的晶棒，長(zhǎng)晶效率低，導(dǎo)致 SiC 的襯 底生產(chǎn)效率低，產(chǎn)出非常有限； 3）晶型要求高、切磨拋難度大：SiC 晶體在生長(zhǎng)過程容易發(fā)生微管、多型夾雜、位錯(cuò) 等缺陷。SiC 單晶包括 200 多種不同晶型，但僅少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)(4H 型)才是生產(chǎn)功率 器件所需的半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)過程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變?cè)斐啥嘈蛫A雜缺陷，因此需要精確控 制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)速率以及氣流氣壓等參數(shù)。從襯底的加工來看，SiC 的硬度僅次于金剛石，屬于高脆性材料，因此在后續(xù)的切割中耗時(shí)久、易裂片。 當(dāng)前 SiC 晶體制備效率低，直接影響 SiC 襯底的生產(chǎn)成本，這也是其價(jià)格高企的主要原 因。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟和量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，SiC 晶體制備技術(shù)也在持續(xù)改進(jìn)和發(fā) 展。當(dāng)前 SiC 晶體的生長(zhǎng)主要采用物理氣相傳輸（PVT）法、高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD） 法和液相法三種方法。 物理氣相傳輸（PVT）法目前是制備 SiC 單晶的主流方法，被大多數(shù)大規(guī)模生產(chǎn) SiC 襯 底的企業(yè)所采用。在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，需要精確控制多個(gè)參數(shù)，如生長(zhǎng)溫度、溫度梯度、 晶體與原料表面的距離以及生長(zhǎng)壓力等。這些參數(shù)的微小變化都可能影響晶體的最終品質(zhì)， 如晶體結(jié)構(gòu)的變化或形成缺陷。因此，如何控制生長(zhǎng)室內(nèi)的熱場(chǎng)和溫度梯度成為了各個(gè)廠 商的核心技術(shù)，也是許多企業(yè)擁有自主研發(fā)單晶爐能力的關(guān)鍵所在，目前公司已掌握 SiC 單晶生長(zhǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)制造、高純 SiC 粉料合成等晶體生長(zhǎng)的核心技術(shù)。

PVT 法在生長(zhǎng) SiC 單晶時(shí)的速度相對(duì)較慢，根據(jù)半導(dǎo)體前沿的數(shù)據(jù)，通常生長(zhǎng)出 20mm 厚的晶體需要約 7 天時(shí)間，而相比之下，生產(chǎn) 1-3 米長(zhǎng)的硅晶棒只需一天。盡管如此， PVT 法憑借其在制備高質(zhì)量 SiC 單晶方面的優(yōu)勢(shì)，目前仍然是行業(yè)的首選技術(shù)。高溫化 學(xué)氣相沉積（HTCVD）法在生長(zhǎng)碳化硅晶體方面相較于 PVT 法具有更高的速率，生長(zhǎng)速 度可達(dá)每小時(shí) 0.3-0.6 毫米，這一方法在碳化硅單晶生長(zhǎng)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。HTCVD 法是對(duì)傳統(tǒng) CVD 技術(shù)的一種改進(jìn)，在這個(gè)過程中，氣體從石墨坩堝底部進(jìn)入，在 2100-2300℃的高溫區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成 Si 和 SiC。由這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體隨后 在坩堝上方的籽晶沉積，形成單晶。

目前PVT 法在制造大尺寸SiC晶體和降本方面遇到挑戰(zhàn)，液相法長(zhǎng)晶重新引起業(yè)界關(guān)注。 液相法的核心在于使用石墨坩堝作為反應(yīng)器，通過在熔融純硅中加入助溶劑，提高其對(duì)碳 的溶解度。在坩堝靠近壁面的高溫區(qū)域，碳溶解于熔融硅中；而在坩堝中心溫度較低的碳 化硅籽晶處，碳的溶解度降低，形成過飽和溶液。此時(shí)，溶液中的碳與硅結(jié)合，在籽晶表 面進(jìn)行外延生長(zhǎng)。同時(shí)，溶液中析出的碳回流至坩堝壁，繼續(xù)溶解形成循環(huán)。液相法在襯 底擴(kuò)徑降本方面極具潛力，但仍面臨一些技術(shù)難題。過快的生長(zhǎng)速度可能導(dǎo)致缺陷，甚至 晶體開裂。由于石墨坩堝在生長(zhǎng)過程中不斷腐蝕，可能會(huì)影響晶體生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性。 公司布局液相法多年，目前在該領(lǐng)域獲得了低貫穿位錯(cuò)和零層錯(cuò)的 SiC 晶體。