01.碳化硅外延

　　外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn),，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的,，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底,。加工的影響,，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié),，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用,。

　　碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同,，不能直接制作在碳化硅單晶材料上,，必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件,。

　　碳化硅一般采用PVT方法,，溫度高達(dá)2000多度，且加工周期比較長,，產(chǎn)出比較低,，因而碳化硅襯底的成本是非常高的。

　　碳化硅外延過程和硅基本上差不多,，在溫度設(shè)計以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計不太一樣,。

　　在器件制備方面,，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是,，采用了高溫的工藝,，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝,。

　　02.SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)

　　目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片,，如果想最大程度利用其材料本身的特性，較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層,。

　　碳化硅外延片,，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片,。實際應(yīng)用中,，寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上，碳化硅晶片本身只作為襯底,，包括GaN外延層的襯底,。

　　我國SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計劃”，材料生長技術(shù)及器件研究均取得較大進(jìn)展,。主要研究單位有中科院半導(dǎo)體研究所,、中電集團(tuán)13所和55所、西安電子科技大學(xué)等,，產(chǎn)業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成,。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實現(xiàn)商業(yè)化,。可以滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制,。不過,，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

　　碳化硅材料的特性從三個維度展開：

　　1.材料的性能,，即物理性能：禁帶寬度大,、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣,、擊穿場強高,。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。

　　2. 器件性能：耐高溫,、開關(guān)速度快,、導(dǎo)通電阻低、耐高壓,。優(yōu)于普通硅材料的特性,。反映在電子電氣系統(tǒng)和器件產(chǎn)品中,。

　　3. 系統(tǒng)性能：體積小、重量輕,、高能效,、驅(qū)動力強。

　　碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍,，耐高溫能力是硅的2 倍,，高頻能力是硅的2 倍；相同電氣參數(shù)產(chǎn)品,，采用碳化硅材料可縮小體積50%,，降低能量損耗80%。

　　這也是為什么半導(dǎo)體巨頭在碳化硅的研發(fā)上不斷加碼的原因：希望把器件體積做得越來越小,、能量密度越來越大,。

　　硅材料隨著電壓的升高，高頻性能和能量密度不斷在下降,，和碳化硅,、氮化鎵相比優(yōu)勢越來越小。

　　碳化硅主要運用在高壓環(huán)境,，氮化鎵主要集中在中低壓的領(lǐng)域,。造成兩者重點發(fā)展的方向有重疊、但各有各的路線,。通常以650V 作為一個界限：650V以上通常是碳化硅材料的應(yīng)用,，650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優(yōu)勢更加明顯。

　　SiC外延片關(guān)鍵參數(shù)

　　碳化硅外延材料的最基本的參數(shù),，也是最關(guān)鍵的參數(shù),，就右下角黃色的這一塊，它的厚度和摻雜濃度均勻性,。

　　我們所講外延的參數(shù)其實主要取決于器件的設(shè)計,，比如說根據(jù)器件的電壓檔級的不同，外延的參數(shù)也不同,。

　　一般低壓在600伏,，我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右，中壓1200~1700,，我們需要的厚度就是10~15個μm,。高壓的話1萬伏以上，可能就需要100個μm以上,。所以隨著電壓能力的增加,，外延厚度隨之增加，高質(zhì)量外延片的制備也就非常難,，尤其在高壓領(lǐng)域,，尤其重要的就是缺陷的控制,，其實也是非常大的一個挑戰(zhàn)。

　　03.SiC外延片制備技術(shù)

　　碳化硅外延兩大主要技術(shù)發(fā)展,，應(yīng)用在設(shè)備上,。

　　1980年提出的臺階流生長模型

　　此對外延的發(fā)展、對外延的質(zhì)量都起到了非常重要的作用,。它的出現(xiàn)首先是生長溫度,，可以在相對低的溫度下實現(xiàn)生長，同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說,，可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的控制,。

　　引入TCS，實現(xiàn)生長速率的提升

　　引入TCS可以實現(xiàn)生長速率達(dá)到傳統(tǒng)的生長速率10倍以上,，它的引入不光是生產(chǎn)速率得到提升,，同時也是質(zhì)量得到大大的控制，尤其是對于硅滴的控制,，所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的,。這個技術(shù)率先由LPE在14年實現(xiàn)商業(yè)化，在17年左右Aixtron對設(shè)備進(jìn)行了升級改造,，將這個技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中,。

　　碳化硅外延中的缺陷其實有很多，因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣,。他的缺陷主要包括微管,、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷,，還有一些特有的如臺階聚集,。

　　基本上很多缺陷都是從襯底中直接復(fù)制過來的，所以說襯底的質(zhì)量,、加工的水平對于外延的生長來說,，尤其是缺陷的控制是非常重要的。

　　碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性：

　　致命性缺陷像三角形缺陷,，滴落物，對所有的器件類型都有影響,，包括二極管,，MOSFET，雙極性器件,，影響最大的就是擊穿電壓,，它可以使擊穿電壓減少20%，甚至跌到百分之90,。

　　非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED,，對這個二極管可能就沒有影響,，對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響,，或者有一些漏電的影響,，最終會使器件的加工合格率受到影響。

　　控制碳化硅外延缺陷,，方法一是謹(jǐn)慎選擇碳化硅襯底材料,；二是設(shè)備選擇及國產(chǎn)化；三是工藝技術(shù),。

　　04.碳化硅外延技術(shù)進(jìn)展情況

　　在低,、中壓領(lǐng)域，目前外延片核心參數(shù)厚度,、摻雜濃度可以做到相對較優(yōu)的水平,。但在高壓領(lǐng)域，目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多,，主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度,、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等,。

　　在中,、低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對是比較成熟的,。

　　基本上可以滿足低中壓的SBD,、JBS、MOS等器件的需求,。如上是一個1200伏器件應(yīng)用的10μm的外延片,，它的厚度、摻雜濃度了都達(dá)到了一個非常優(yōu)的水平,，而且表面缺陷也是非常好的,，可以達(dá)到0.5平方以下。

　　在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對比較滯后,，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料,，它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多,，尤其是摻雜濃度的均勻性,。

　　同時，高壓器件需要的厚膜方面,，目前的缺陷還是比較多的,，尤其是三角形缺陷，缺陷多主要影響大電流的器件制備,。大電流需要大的芯片面積,。同時它的少子壽命目前也比較低,。

　　在高壓方面的話，器件的類型趨向于使用于雙極器件,，對少子壽命要求比較高,，從右面這個圖我們可以看到，要達(dá)到一個理想的正向電流它的少子壽命至少要達(dá)到5μs以上,，目前的外延片的少子壽命的參數(shù)大概在1~2個μs左右,，所以說還對高壓器件的需求目前來說還沒法滿足，還需要后處理技術(shù),。

　　05.SiC外延片制備設(shè)備情況

　　碳化硅外延材料的主要設(shè)備,，目前這個市場上主要有四家：

　　1、德國的Aixtron：特點是產(chǎn)能比較大,；

　　2,、意大利的LPE，屬于單片機(jī),，生長速率非常大,。

　　3、日本的TEL和Nuflare,，其設(shè)備的價格非常昂貴,，其次是雙腔體，對提高產(chǎn)量有一定的作用,。其中,，Nuflare是最近幾年推出來的一個非常有特點的設(shè)備，其能高速旋轉(zhuǎn),，可以達(dá)到一分鐘1000轉(zhuǎn),，這對外延的均勻性是非常有利的。同時它的氣流方向不同于其他設(shè)備,，是垂直向下的,，所以它可以避免一些顆粒物的產(chǎn)生，減少滴落到片子上的概率,。

　　06.行業(yè)格局

　　在全球市場中,，外延片企業(yè)主要有 DowCorning、II-VI,、Norstel,、Cree、羅姆,、三菱電機(jī)、Infineon 等,，多數(shù)是IDM公司,。日本也存在比較優(yōu)越的碳化硅外延的供應(yīng)商,，比如說昭和電工，但它已經(jīng)不是一個純粹的做碳化硅外延的,，因為他在前幾年也收購了日本的新日鐵,，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。

　　全球業(yè)內(nèi)的龍頭Cree旗下Wolfspeed,，是IDM公司,，除了對外提供襯底片和外延片，還做器件,、模塊,。Cree 占據(jù)襯底市場約 40%份額、器件市場約 23%份額,。

　　在大陸市場,，純粹做外延片的有：瀚天天成（EpiWorld）和東莞天域半導(dǎo)體均可供應(yīng) 4-6 英寸外延片，中電科 13 所,、55 所亦均有內(nèi)部供應(yīng)的外延片生產(chǎn)部門,。臺灣地去有嘉晶電子。

　　北方華創(chuàng)目前為化合物半導(dǎo)體生產(chǎn)開發(fā)的相關(guān)刻蝕機(jī)等設(shè)備,。公司表示在化合物半導(dǎo)體SiC/GaN 的刻蝕中存在諸多挑戰(zhàn),，包括刻蝕的寬縱比、特殊的刻蝕輪廓的控制,、刻蝕的選擇性以及過高/過低的刻蝕速率,。

　　能訊半導(dǎo)體率先在國內(nèi)開展了GaN 材料與器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，公司擁有先進(jìn)的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工藝,，可以滿足微波功率器件及電力電子器件的應(yīng)用需求,。在制造方面，公司有用亞微米柵極技術(shù),、鈍化層技術(shù),、襯底減薄VIA 通孔技術(shù)等。公司目前在昆山擁有6,000/年3“ GaN 晶圓片的產(chǎn)能,。

　　中車時代電氣為中國中車子公司,，在功率半導(dǎo)體方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。半導(dǎo)體相關(guān)器件主要用途為軌道交通,、輸變電及新能源領(lǐng)域,。2018 年1 月實現(xiàn)國內(nèi)首條6” SiC芯片生產(chǎn)線技術(shù)調(diào)試完成，2 月產(chǎn)線已正式開始流片,。該項目總投資為3.5 億元,，可實現(xiàn)4“及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研發(fā)和制造,。

　　07.應(yīng)用領(lǐng)域

　　從終端應(yīng)用層上來看在碳化硅材料在高鐵,、汽車電子、智能電網(wǎng),、光伏逆變,、工業(yè)機(jī)電、數(shù)據(jù)中心,、白色家電,、消費電子、5G通信,、次世代顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,，市場潛力巨大。

　　在應(yīng)用上,，分為低壓,、中壓和高壓領(lǐng)域

　　在低壓領(lǐng)域：主要是針對一些消費電子，比如說PFC,、電源,；舉例子：小米和華為推出來快速充電器，所采用的器件就是氮化鎵器件,。

　　在中壓領(lǐng)域：主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網(wǎng)系統(tǒng),。舉例子：特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商，使用的型號是model3,。

　　在中低壓領(lǐng)域,，碳化硅和氮化鎵為競爭關(guān)系，更傾向于氮化鎵,。在中低壓碳化硅已經(jīng)有非常成熟的二極管和MOSFET產(chǎn)品在市場當(dāng)中推廣應(yīng)用,。

　　在高壓領(lǐng)域：碳化硅有著獨一無二的優(yōu)勢。但迄今為止,，在高壓領(lǐng)域現(xiàn)在還沒有一個成熟的產(chǎn)品的推出,，全球都在處于研發(fā)的階段。

　　電動車是碳化硅的最佳應(yīng)用場景

　　豐田的電驅(qū)動模塊（電動車的核心部件）,，碳化硅的器件比硅基IGBT 的體積縮小了50%甚至更多,，同時能量密度也比硅基IGBT 高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因,，可以優(yōu)化零部件在車上的布置,，節(jié)省更多的空間。

　　特斯拉Model 3 電驅(qū)動模塊：采用24 顆意法半導(dǎo)體碳化硅器件,，豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動車,，豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應(yīng)商，目前是三菱或富士在爭取這些業(yè)務(wù)和豐田開展合作。