碳化硅外延技術(shù)突破或改變產(chǎn)業(yè)格局

與非網(wǎng)7月7日訊 第一代半導(dǎo)體材料主要是硅(Si)、鍺元素(Ge);第二代主要是化合物半導(dǎo)體材料;而第三代半導(dǎo)體，主要是二十一世紀(jì)以來以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石四種為代表的半導(dǎo)體材料，即高溫半導(dǎo)體材料。

而經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，基于硅材料的功率半導(dǎo)體器件的性能已經(jīng)接近其物理極限。因此，第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展開始受到重視。全球新一輪的產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)開始，正在逐漸進(jìn)入第三代半導(dǎo)體時(shí)代。

相信后面隨著第三代半導(dǎo)體時(shí)代的到來，采用全新材料的半導(dǎo)體芯片將逐漸替代傳統(tǒng)采用硅材料的芯片。而華為對天域半導(dǎo)體的投資，應(yīng)該也是為將來做準(zhǔn)備。一方面海思繼續(xù)研發(fā)，另一方面投資第三代半導(dǎo)體材料企業(yè)，做到搶先布局。

我國碳化硅產(chǎn)業(yè)或迎來史詩級利好
進(jìn)入2021年以來，在碳化硅外延領(lǐng)域，國內(nèi)外企業(yè)紛紛捷報(bào)連連。

2021年3月1日，日本豐田通商株式會社正式宣布成功開發(fā)出一種表面納米控制技術(shù)——Dynamic AGE-ing。該技術(shù)可以讓任何尺寸、任意供應(yīng)商的SiC襯底的BPD（基平面位錯(cuò)）降低到1以下。

無獨(dú)有偶，2021年3月3日，瀚天天成電子科技(廈門)有限公司發(fā)布消息稱，突破了碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝。

碳化硅外延是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。如今碳化硅外延技術(shù)的發(fā)展步入快車道，會對整個(gè)碳化硅外延生態(tài)圈產(chǎn)生什么影響呢？請容我一一道來。

或?qū)⒏淖儑H碳化硅外延產(chǎn)業(yè)格局

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為晶片制備、外延生長、器件制造、模塊封測和系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中外延生長是承上啟下的重要環(huán)節(jié)，具有非常關(guān)鍵的作用。

因?yàn)楝F(xiàn)有器件基本都是在外延層上實(shí)現(xiàn)的，所以對外延層質(zhì)量的要求就非常之高。而且隨著耐壓性能的不斷提高，所要求的外延層的厚度就越厚。一般電壓在600V左右時(shí)，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時(shí)，所需要的外延層厚度就達(dá)到10-15微米。如果電壓達(dá)到一萬伏以上時(shí)，可能就需要100微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發(fā)困難。

目前，碳化硅外延的主流技術(shù)包括斜切臺階流技術(shù)和TCS技術(shù)等等。

所謂斜切臺階流技術(shù)即切割碳化硅襯底時(shí)切出一個(gè)8°左右的偏角。這樣切出的襯底表面出產(chǎn)生很高的臺階流密度，從而容易實(shí)現(xiàn)晶圓級碳化硅外延。目前，斜切臺階流技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是該技術(shù)也有兩個(gè)缺陷：一是該技術(shù)無法阻斷基平面位錯(cuò)；二是該技術(shù)會對襯底材料造成浪費(fèi)。

為了突破臺階流技術(shù)的限制，人們又嘗試在反應(yīng)腔中加入含氯元素的硅源，最終通過不斷地完善開發(fā)出TCS等技術(shù)。目前，碳化硅外延技術(shù)已與碳化硅外延設(shè)備高度融合。2014年，TCS等技術(shù)由意大利LPE公司最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在2017年AIXTRON公司對設(shè)備進(jìn)行了升級改造，將這個(gè)技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。

目前，碳化硅外延設(shè)備主要由意大利的LPE公司、德國AIXTRON公司以及日本Nuflare公司所壟斷。

預(yù)計(jì)到2023年碳化硅外延設(shè)備的年復(fù)合增長率有望超過50%。

隨著新興碳化硅外延技術(shù)的崛起，這個(gè)幾十億規(guī)模的產(chǎn)業(yè)或?qū)⒂瓉硇乱惠喌南磁啤?/p>

或?qū)⒋呤煳覈蓟枰r底材料產(chǎn)業(yè)

碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，按照用途不同，可以分成珠寶級碳化硅材料、電力電子器件用N型碳化硅材料和功率射頻器件用半絕緣碳化硅材料。雖然，近年來珠寶級碳化硅材料和半絕緣碳化硅材料的市場增長迅猛，但是N型碳化硅材料才是未來市場絕對的主角。

相對于珠寶級碳化硅和半絕緣碳化硅材料，N型碳化硅材料對晶體質(zhì)量的要求更高。在該領(lǐng)域，我國碳化硅襯底企業(yè)與CREE公司國際一流企業(yè)還存在一定的差距。

如果諸如豐田研發(fā)的Dynamic AGE-ing等技術(shù)可以大規(guī)模在我國應(yīng)用，那么N型碳化硅襯底材料的入場門檻無疑將會大幅度降低。據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會半導(dǎo)體材料分會統(tǒng)計(jì)，我們已經(jīng)上馬了30多個(gè)碳化硅襯底材料項(xiàng)目，投資已超300億元。但是因?yàn)槿毕莸燃夹g(shù)原因，N型碳化硅襯底的產(chǎn)能遲遲不能釋放。如果碳化硅外延技術(shù)獲得關(guān)鍵突破，對我國碳化硅襯底材料企業(yè)而言，這無異于開閘放水。

或?qū)⑼苿?dòng)我國碳化硅器件產(chǎn)業(yè)

雖然我國投資的碳化硅襯底項(xiàng)目已經(jīng)有30多個(gè)，但是市場需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然嚴(yán)重依賴進(jìn)口。碳化硅襯底和外延的成本目前占到碳化硅模塊總成本的50%以上，如果該問題不得到解決，我國碳化硅產(chǎn)業(yè)相比于美國很難有什么太大的競爭力。

市場研究單位Yole指出，碳化硅電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展具高度潛力，包括ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、Infineon Technologies、Littelfuse、Ascatron等廠商都大力投入。Yole預(yù)測到2023年SiC功率半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)14億美元，2016年至2023年間的復(fù)合成長率(CAGR)為28%，2020~2022年CAGR將進(jìn)一步提升至40%。

總而言之，未來前景廣闊，但是國內(nèi)各位碳化硅業(yè)界同仁還應(yīng)勉勵(lì)向前。