409-21-2/獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,無(wú)與倫比的碳化硅（SiC)，它為何這么香？

言：加速發(fā)展的數(shù)字化和能源效率等全球趨勢(shì)，給制造商和半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，而第三代半導(dǎo)體碳化硅可謂非?；馃?。

何為碳化硅？

碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料是自第一代元素半導(dǎo)體材料（Si、Ge）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、InP等）之后崛起的第三代半導(dǎo)體材料。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率大、載流子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)，憑借其耐高溫、耐高壓、高頻的特性在功率器件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.碳化硅材料特性

SiC 以多種多晶型晶體結(jié)構(gòu)存在，稱為多型，例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在實(shí)際功率器件制造中通常是首選。直徑為3英寸至6英寸的單晶4H-SiC晶片可商購(gòu)獲得。

與 Si 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)、三倍的帶隙和三倍的熱導(dǎo)率。SiC 器件可以承受更高的擊穿電壓，具有更低的電阻率，并且可以在更高的溫度下工作。

圖 1 碳化硅材料的特性

2.SiC單晶制備

碳化硅襯底制備技術(shù)包括 PVT 法（物理氣相傳輸法）、溶液法和HTCVD法（高溫氣相化學(xué)沉積法）等，目前國(guó)際上基本采用PVT法制備碳化硅單晶。SiC單晶生長(zhǎng)經(jīng)歷3個(gè)階段，分別是Acheson法、Lely法、改良Lely法。

利用SiC高溫升華分解特性，可采用升華法即Lely法來(lái)生長(zhǎng)SiC晶體，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環(huán)境溫度為 2 500℃的條件下進(jìn)行升華生長(zhǎng)，可以生成片狀SiC晶體。

但Lely法為自發(fā)成核生長(zhǎng)方法，較難控制所生長(zhǎng)SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來(lái)又出現(xiàn)了改良的Lely法，即PVT 法（物理氣相傳輸法），其優(yōu)點(diǎn)在于：采用SiC籽晶控制所生長(zhǎng)晶體的晶型，克服了Lely法自發(fā)成核生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長(zhǎng)較大尺寸的SiC單晶。

碳化硅的歷史與應(yīng)用

SiC 在自然界中以礦物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不過(guò)，自1893 年以來(lái)，粉狀碳化硅已被大量生產(chǎn)用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史，主要用于磨輪和眾多其他研磨應(yīng)用。

早期碳化硅應(yīng)用于LED燈和避雷針。而利用當(dāng)代技術(shù)，人們已使用SiC 開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的工業(yè)級(jí)陶瓷。這些陶瓷展現(xiàn)出頗具優(yōu)勢(shì)的機(jī)械特性，如：高硬度、高強(qiáng)度、低密度、高彈性模量、高抗熱震性、優(yōu)越的化學(xué)惰性、高導(dǎo)熱率、低熱膨脹。這些高強(qiáng)度、較持久耐用的陶瓷廣泛用于各類應(yīng)用，如汽車(chē)制動(dòng)器和離合器，以及嵌入防彈背心的陶瓷板。碳化硅也用于在高溫和/或高壓環(huán)境中工作的半導(dǎo)體電子設(shè)備，如火焰點(diǎn)火器、電阻加熱元件以及惡劣環(huán)境下的電子元器件。

SiC研磨片碳化硅仍然在許多工業(yè)應(yīng)用中用作研磨劑。其在電子行業(yè)中主要用作拋光膜，用于在拼接前為光導(dǎo)纖維的兩端拋光。這些膜片能夠給光纖接頭帶來(lái)有效運(yùn)作所需的高光潔度

在微電子領(lǐng)域，碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)在于可與氮化鎵半導(dǎo)體互補(bǔ)，氮化鎵半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向中低電壓范圍，集中在1000V以下，而1000V以上的中高電壓范圍，則是碳化硅的天下。1200V以上的碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域有新能源汽車(chē)，光伏，機(jī)車(chē)牽引，智能電網(wǎng)等，高鐵機(jī)車(chē)的牽引電壓在6500V以上，地鐵則一般在3300V左右。

碳化硅半導(dǎo)體在軍事、航天上也有許多應(yīng)用，不管是電力電子，還是微波設(shè)備，在軍工領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為晶片制備、外延生長(zhǎng)、器件制造、模塊封測(cè)和系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中外延生長(zhǎng)是承上啟下的重要環(huán)節(jié)，具有非常關(guān)鍵的作用。預(yù)計(jì)到2023年碳化硅外延設(shè)備的年復(fù)合增長(zhǎng)率有望超過(guò)50%。

碳化硅外延設(shè)備市場(chǎng)前景

下游市場(chǎng)需求崛起

上中游企業(yè)火熱加速布局，最大的驅(qū)動(dòng)力無(wú)疑來(lái)源于下游終端應(yīng)用的市場(chǎng)需求。隨著碳化硅、氮化鎵襯底、外延片質(zhì)量持續(xù)提升，上游材料產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，碳化硅、氮化鎵器件與傳統(tǒng)器件價(jià)差持續(xù)縮小、性能日益穩(wěn)定及提高，進(jìn)一步獲得下游認(rèn)可。

碳化硅方面，我國(guó)襯底企業(yè)主要有山東天岳、天科合達(dá)、中科鋼研節(jié)能、世紀(jì)金光等，外延片企業(yè)主要有瀚天天成、天域半導(dǎo)體、世紀(jì)金光等，器件制造方面有廈門(mén)三安集成、海威華芯等，IDM企業(yè)主要有泰科天潤(rùn)、中車(chē)時(shí)代、世紀(jì)金光、芯光潤(rùn)澤以及中電科十三所、中電科五十五所等。

歷經(jīng)多年的沉淀與積累，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已有了長(zhǎng)足進(jìn)步。根據(jù)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的報(bào)告，2019年我國(guó)第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)已基本完成從小批量的研發(fā)向規(guī)模化、商業(yè)化的跨越。

材料方面，2019年GaN襯底已實(shí)現(xiàn)2-3英寸襯底小批量產(chǎn)業(yè)化，4英寸可提供樣品；用于電力電子器件的Si基GaN外延基本實(shí)現(xiàn)6英寸產(chǎn)業(yè)化和8英寸材料的樣品研發(fā)。

SiC襯底4英寸導(dǎo)電和半絕緣襯底已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，6英寸導(dǎo)電襯底小批量供貨，已經(jīng)研制出8英寸襯底；SiC同質(zhì)外延目前商業(yè)化的尺寸為4-6英寸等。

器件方面，2019年商業(yè)化的Si基GaN HEMT最高電壓為650V；硅基GaN射頻器件性能位于國(guó)際前列水平，工作頻率145GHz-220GHz，已實(shí)現(xiàn)規(guī)模量化供貨。SiC器件國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品涵蓋的電壓等級(jí)已經(jīng)基本無(wú)差別，SiC SBD覆蓋600V-3300V的電壓范圍；SiC MOSFET方面，全SiC功率模塊最高規(guī)格為1200V/600A等。

不過(guò)，目前全球第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大部分市場(chǎng)份額仍被美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家地區(qū)企業(yè)所占據(jù)，我國(guó)第三代半導(dǎo)體企業(yè)在產(chǎn)能規(guī)模、解決方案、市場(chǎng)渠道以及品牌信任度等方面均與國(guó)際企業(yè)有較大差距，如今正在努力追趕中。

碳化硅的未來(lái)

因此，碳化硅和第三代半導(dǎo)體，在整個(gè)行業(yè)范圍內(nèi)仍然是在探索過(guò)程中發(fā)展，遠(yuǎn)未達(dá)到能夠大規(guī)模替代第二代半導(dǎo)體的成熟產(chǎn)業(yè)地步，潛在市場(chǎng)的荒原依然巨大。市場(chǎng)內(nèi)最先進(jìn)的玩家，也仍然面臨諸多短板有待彌補(bǔ)，因此群雄逐鹿尚未分明，任何已經(jīng)出具規(guī)模的參與者，都還有翻盤(pán)超越的機(jī)會(huì)。同時(shí)希望更多的企業(yè)沉下心來(lái)去發(fā)展碳化硅技術(shù)，去發(fā)酵，成熟牢靠的技術(shù)才是發(fā)展產(chǎn)業(yè)的奠基石。