解析碳化硅外延材料产业链

与传统硅功率器件制作工艺不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。
 

碳化硅一般采用PVT方法，温度高达2000多度，且加工周期比较长，产出比较低，因而碳化硅衬底的成本是非常高的。
 

碳化硅外延过程和硅基本上差不多，在温度设计以及设备的结构设计不太一样。
 

在器件制备方面，由于材料的特殊性，器件过程的加工和硅不同的是，采用了高温的工艺，包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。
 

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺，由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。
 

目前碳化硅和氮化镓这两种芯片，如果想最大程度利用其材料本身的特性，较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。
 

碳化硅外延片，是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。实际应用中，宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上，碳化硅晶片本身只作为衬底，包括GaN外延层的衬底。
 

我国SiC外延材料研发工作开发于“九五计划”，材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等，产业化公司主要是东莞天域和厦门瀚天天成。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本实现商业化。可以满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。不过，还不能满足研制10kV及以上电压等级器件和研制双极型器件的需求。
 

碳化硅材料的特性从三个维度展开：

1. 材料的性能，即物理性能：禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。
 

2. 器件性能：耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。
 

3. 系统性能：体积小、重量轻、高能效、驱动力强。
 

碳化硅的耐高压能力是硅的10 倍，耐高温能力是硅的2 倍，高频能力是硅的2 倍；相同电气参数产品，采用碳化硅材料可缩小体积50%，降低能量损耗80%。
 

这也是为什么半导体巨头在碳化硅的研发上不断加码的原因：希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。
 

硅材料随着电压的升高，高频性能和能量密度不断在下降，和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。
 

碳化硅主要运用在高压环境，氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限：650V以上通常是碳化硅材料的应用，650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。
 

碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就右下角黄色的这一块，它的厚度和掺杂浓度均匀性。
 

我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计，比如说根据器件的电压档级的不同，外延的参数也不同。
 

一般低压在600伏，我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右，中压1200~1700，我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上，可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加，外延厚度随之增加，高质量外延片的制备也就非常难，尤其在高压领域，尤其重要的就是缺陷的控制，其实也是非常大的一个挑战。
 

1980年提出的台阶流生长模型

此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。它的出现首先是生长温度，可以在相对低的温度下实现生长，同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说，可以实现非常稳定的控制。
 

引入TCS，实现生长速率的提升

引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上，它的引入不光是生产速率得到提升，同时也是质量得到大大的控制，尤其是对于硅滴的控制，所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。这个技术率先由LPE在14年实现商业化，在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造，将这个技术移植到了商业的设备中。
 

碳化硅外延中的缺陷其实有很多，因为晶体的不同所以它的缺陷和其它一些晶体的也不太一样。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡萝卜缺陷，还有一些特有的如台阶聚集。
 

基本上很多缺陷都是从衬底中直接复制过来的，所以说衬底的质量、加工的水平对于外延的生长来说，尤其是缺陷的控制是非常重要的。
 

致命性缺陷像三角形缺陷，滴落物，对所有的器件类型都有影响，包括二极管，MOSFET，双极性器件，影响最大的就是击穿电压，它可以使击穿电压减少20%，甚至跌到百分之90。
 

非致命性的缺陷比如说一些TSD和TED，对这个二极管可能就没有影响，对MOS、双极器件可能就有寿命的影响，或者有一些漏电的影响，最终会使器件的加工合格率受到影响。
 

控制碳化硅外延缺陷，方法一是谨慎选择碳化硅衬底材料；二是设备选择及国产化；三是工艺技术。
 

在低、中压领域，目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。
 

但在高压领域，目前外延片需要攻克的难关还很多，主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。
 

在中、低压应用领域，碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片，它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平，而且表面缺陷也是非常好的，可以达到0.5平方以下。
 

在高压领域外延的技术发展相对比较滞后，如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料，它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多，尤其是掺杂浓度的均匀性。
 

同时，高压器件需要的厚膜方面，目前的缺陷还是比较多的，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。
 

在高压方面的话，器件的类型趋向于使用于双极器件，对少子寿命要求比较高，从右面这个图我们可以看到，要达到一个理想的正向电流它的少子寿命至少要达到5μs以上，目前的外延片的少子寿命的参数大概在1~2个μs左右，所以说还对高压器件的需求目前来说还没法满足，还需要后处理技术。
 

碳化硅外延材料的主要设备，目前这个市场上主要有四家：
 

1、德国的Aixtron：特点是产能比较大；
 

2、意大利的LPE，属于单片机，生长速率非常大。
 

3、日本的TEL和Nuflare，其设备的价格非常昂贵，其次是双腔体，对提高产量有一定的作用。其中，Nuflare是最近几年推出来的一个非常有特点的设备，其能高速旋转，可以达到一分钟1000转，这对外延的均匀性是非常有利的。同时它的气流方向不同于其他设备，是垂直向下的，所以它可以避免一些颗粒物的产生，减少滴落到片子上的概率。
 

在全球市场中，外延片企业主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等，多数是IDM公司。日本也存在比较优越的碳化硅外延的供应商，比如说昭和电工，但它已经不是一个纯粹的做碳化硅外延的，因为他在前几年也收购了日本的新日铁，开始涉及到了碳化硅单晶的制备。
 

全球业内的龙头Cree旗下Wolfspeed，是IDM公司，除了对外提供衬底片和外延片，还做器件、模块。Cree 占据衬底市场约 40%份额、器件市场约 23%份额。
 

在大陆市场，纯粹做外延片的有：瀚天天成（EpiWorld）和东莞天域半导体均可供应 4-6 英寸外延片，中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。台湾地去有嘉晶电子。
 

北方华创介绍了公司为化合物半导体生产开发的相关刻蚀机等设备。公司表示在化合物半导体SiC/GaN 的刻蚀中存在诸多挑战，包括刻蚀的宽纵比、特殊的刻蚀轮廓的控制、刻蚀的选择性以及过高/过低的刻蚀速率。公司的干法刻蚀解决方案在这些要求中展现了卓越的表现和良率。
 

能讯半导体率先在国内开展了GaN 材料与器件的研发与产业化，公司拥有先进的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工艺，可以满足微波功率器件及电力电子器件的应用需求。在制造方面，公司有用亚微米栅极技术、钝化层技术、衬底减薄VIA 通孔技术等。公司目前在昆山拥有6,000/年3” GaN 晶圆片的产能。
 

中车时代电气为中国中车子公司，在功率半导体方面处于国内领先水平。半导体相关器件主要用途为轨道交通、输变电及新能源领域。2018 年1 月实现国内首条6” SiC芯片生产线技术调试完成，2 月产线已正式开始流片。该项目总投资为3.5 亿元，可实现4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研发和制造。
 

从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用，市场潜力巨大。
 

在低压领域：主要是针对一些消费电子，比如说PFC、电源；举例子：小米和华为推出来快速充电器，所采用的器件就是氮化镓器件。
 

在中压领域：主要是汽车电子和3300V以上的轨道交通和电网系统。举例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一个汽车制造商，使用的型号是model3。
 

在中低压领域，碳化硅和氮化镓为竞争关系，更倾向于氮化镓。在中低压碳化硅已经有非常成熟的二极管和MOSFET产品在市场当中推广应用。
 

在高压领域：碳化硅有着独一无二的优势。但迄今为止，在高压领域现在还没有一个成熟的产品的推出，全球都在处于研发的阶段。
 

丰田的电驱动模块（电动车的核心部件），碳化硅的器件比硅基IGBT 的体积缩小了50%甚至更多，同时能量密度也比硅基IGBT 高很多。这也是很多厂商倾向于使用碳化硅的原因，可以优化零部件在车上的布置，节省更多的空间。
 

特斯拉Model 3 电驱动模块：采用24 颗意法半导体碳化硅器件，丰田也计划2020年推出搭载碳化硅器件的电动车，丰田作为日系厂商较为倾向于日系的供应商，目前是三菱或富士在争取这些业务和丰田开展合作。