第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术

1. 第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术

本文说说碳化硅的那些事。
  
 碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。
     
 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。
  
 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。
  
 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。
  
 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化：
     
 总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。
  
 在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。
  
 在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。
     
 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。
  
 改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向：
     
 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。
  
 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。
  
 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。

2. 第三代半导体碳化硅的战略风向标

新能源 汽车 、轨道交通、5G技术、智能电网等产业的快速发展，提高了电子技术对高温、高功率、高压、高频的器件需求，第三代半导体应运而生。目前，全球半导体材料以领先国内更新的速度完成了第三代半导体的研发以及部分应用。碳化硅材料是迄今发展最成熟的第三代半导体的核心，与氮化镓、金刚石、氧化锌共同组成新一代半导体材料。
  
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 行业应用及前景
  
 与传统的第一代、第二代半导体材料硅和砷化镓相比，碳化硅具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，可以满足电机、功能转化器的小型化需求，提高新能源发电、电力传输的能量传导率，得以实现在智能电网、新能源电动 汽车 、轨道交通、工业电机上的广泛应用，成为半导体领域的热点。主要西方国家均制定了相应的发展规划，电子产业巨头也都投入巨资进行技术转化。
  
 第三代半导体正引起一场清洁能源和电子技术的重大革命。电动车行业领导企业特斯拉在Model 3电动车中，将碳化硅MOSFET器件用在 汽车 主驱动控制器上，以达到降低传导和开关损耗的目标，从而延长续航里程。在特斯拉的认证和产品大势推广的基础上，可以预见整车企业会越来越多的在功率模块中采用碳化硅器件。根据IHS Markit预测，碳化硅半导体的市场规模将以平均每年25%的增速发展到2026年超过50亿美元。其中，JBS和MOSFET芯片作为碳化硅应用的主流产品，占据碳化硅市场约70%的份额。
  
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 产业链介绍
  
 碳化硅产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块环节，以及下游的应用环节。与硅基集成电路的制造类似，碳化硅器件的生产也有IDM和Fabless模式两种，当前以IDM模式为主。
  
 作为典型的资本密集型和技术密集型产业，西方国家已对碳化硅持续投资超过30年。当前，西方企业掌握产业话语权，呈现美日欧三足鼎立态势。其中美国占据全球碳化硅产量的70%以上，典型公司为Cree公司、II-VI公司，Cree公司占据领跑者的位置；欧洲企业拥有完整的衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司为英飞凌、意法半导体等；日本企业在设备和模块开发方面具备优势，典型企业为罗姆半导体、三菱电机等。
  
 尽管我国企业起步相对较晚，但在多个领域已经有所布局。衬底方面有中天科合达、山东天岳，外延片方面有瀚天天成、东莞天域，器件方面有中电科55所、基本半导体等。
  
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 投资机会分析
  
 碳化硅对于我国工业发展有重大战略意义，从传统的国家供电系统、新能源逆变器到近年快速崛起的新能源 汽车 ，再到用于军事与航天航空的精密器件，都有碳化硅器件的用武之地，蕴含着巨大的市场机会。
  
 相对国际先进企业，我国碳化硅企业在材料研发、芯片设计、芯片制造和下游应用能力尚有较大差距。尽管如此，碳化硅产业格局尚未形成，且我国作为碳化硅下游的最大市场，随着制备技术的进步、需求拉动叠加成本降低，我们认为碳化硅的市场空间和进口替代需求必将打开，投资机会将不断涌现。
  
 近期，华为通过旗下的哈勃 科技 投资有限公司投资了山东天岳公司，占股10%，上市公司天通股份、露笑 科技 、扬杰 科技 、三安光电均涉足了碳化硅项目。中咨华盖把握行业发展趋势，拟与下游产业龙头合作，投资一家具备碳化硅材料加工制造能力及新一代器件设计工艺标的，以促进碳化硅产业在中国的发展。

3. 碳化硅作为第三代半导体产业的重要基础材料，在高温应用领域有哪些应用呢？

碳化硅陶瓷具有的高温强度高、耐高压、高温蠕动性小等优点,能适应各种高温环境.例如,碳化硅横梁,适用于工业窑炉中的承重结构架,它高温力学性能优异,抗高温蠕变性好,长期使用不弯曲变形.碳化硅棍棒用于高温烧成带,具有良好的导热性能,节约能源的同时不增加窑车重量.碳化硅冷风管用于窑的降温带,耐急冷热性能好,其使用寿命是不锈钢管或氧化铝等耐火材料的5~10倍.另外,由于碳化硅陶瓷突出的高温强度、优良的抗高温抗蠕变能力以及抗热震性,使其成为火箭、飞机、汽车发动机和燃汽轮机中热机部件的主要材料之一,通用汽车公司研制的AGT100车用陶瓷燃气轮机就采用碳化硅陶瓷用作燃烧室环、燃烧室筒体、导向叶片和涡轮转子等高温部件.

4. 碳化硅在半导体行业中的应用有哪些？

　　碳化硅半导体产业链主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装和终端应用等环节。

　　1.碳化硅高纯粉料

　　碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料,其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。碳化硅粉料有多种合成方式,主要有固相法、液相法和气相法3种。其中,固相法包括碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法;液相法包括溶胶-凝胶法和聚合物热分解法;气相法包括化学气相沉积法、等离子体法和激光诱导法等。

　　2.单晶衬底

　　单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长,也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点,是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。目前,SiC单晶生长方法有物理气相传输法(PVT法)、液相法(LPE法)、高温化学气相沉积法(HTCVD法)等。

　　3.外延片

　　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、与衬底晶向相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。目前,碳化硅单晶衬底上的SiC薄膜制备主要有化学气相淀积法（CVD）、液相法（LPE）、升华法、溅射法、MBE法等多种方法。

　　4.功率器件

　　采用碳化硅材料制造的宽禁带功率器件,具有耐高温、高频、高效的特性。

　　5.模块封装

　　目前,量产阶段的相关功率器件封装类型基本沿用了硅功率器件。模块封装可以优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性,可灵活地将功率器件与不同的应用方案结合。

　　6.终端应用

　　在第三代半导体应用中，碳化硅半导体的优势在于可与氮化镓半导体互补。由于SiC器件高转换效率、低发热特性和轻量化等优势,下游行业需求持续增加,有取代SiQ器件的趋势。