硅基、碳化硅基的認(rèn)識(shí)

　　在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，主要的材料是硅和碳化硅等，首先看硅基,。

　　全球半導(dǎo)體硅片行業(yè)市場(chǎng)集中度很高，主要被日本、德國(guó),、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的知名企業(yè)占據(jù),。目前,，全球前五大半導(dǎo)體硅片企業(yè)規(guī)模較大，合計(jì)市場(chǎng)份額達(dá)93%,。其中,，日本信越化學(xué)市場(chǎng)份額27.58%，日本SUMCO市場(chǎng)份額24.33%,，德國(guó)Siltronic市場(chǎng)份額14.22%,，中國(guó)臺(tái)灣環(huán)球晶圓市場(chǎng)份額為16.28%，韓國(guó)SK Siltron市場(chǎng)份額占比為10.16%,。相較于行業(yè)前五大半導(dǎo)體硅片企業(yè),，硅產(chǎn)業(yè)集團(tuán)規(guī)模較小，占全球半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)份額2.18%,。近年來(lái)隨著我國(guó)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視,，在產(chǎn)業(yè)政策和地方政府的推動(dòng)下，我國(guó)半導(dǎo)體硅片行業(yè)的新建項(xiàng)目也不斷涌現(xiàn),。伴隨著全球芯片制造產(chǎn)能向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移的長(zhǎng)期過(guò)程,，中國(guó)大陸市場(chǎng)將成為全球半導(dǎo)體硅片企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng),。

　　半導(dǎo)體硅片是芯片制造的核心材料，芯片制造企業(yè)對(duì)半導(dǎo)體硅片的品質(zhì)有著極高的要求,，對(duì)供應(yīng)商的選擇非常慎重,。根據(jù)行業(yè)慣例，芯片制造企業(yè)需要先對(duì)半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證,，才會(huì)將該硅片制造企業(yè)納入供應(yīng)鏈,，一旦認(rèn)證通過(guò)，芯片制造企業(yè)不會(huì)輕易更換供應(yīng)商,。中國(guó)大陸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)300mm半導(dǎo)體硅片規(guī)?；N售，半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路,、分立器件,、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)性的一環(huán),。然而,，半導(dǎo)體硅片也是我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈與國(guó)際先進(jìn)水平差距最大的環(huán)節(jié)之一，當(dāng)前我國(guó)半導(dǎo)體硅片的供應(yīng)高度依賴進(jìn)口,，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程嚴(yán)重滯后,。

　　根據(jù) WSTS 分類標(biāo)準(zhǔn)，半導(dǎo)體芯片主要可分為集成電路,、分立器件,、傳感器 與光電子器件四種類別。其中,，集成電路可細(xì)分為存儲(chǔ)器,、模擬芯片、邏輯芯片 與微處理器,。模擬芯片可進(jìn)一步細(xì)分為功率器件,、放大器、濾波器,、反饋電路,、基準(zhǔn)源電路、開(kāi)關(guān)電容電路等產(chǎn)品,。射頻前端芯片是模擬芯片的一種,，是集合了多種類型模擬芯片的模塊。

　　半導(dǎo)體硅片尺寸越大,，對(duì)半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)技術(shù),、設(shè)備、材料,、工藝的要求越高,。目前,，全球市場(chǎng)主流的產(chǎn)品是200mm（8英寸）、300mm（12英寸）直徑的半導(dǎo)體硅片,，下游芯片制造行業(yè)的設(shè)備投資也與200mm和300mm規(guī)格相匹配,。考慮到大部分200mm及以下芯片制造生產(chǎn)線投產(chǎn)時(shí)間較早,，絕大部分設(shè)備已折舊完畢，因此200mm及以下半導(dǎo)體硅片對(duì)應(yīng)的芯片制造成本往往較低,，在部分領(lǐng)域使用200mm及以下半導(dǎo)體硅片的綜合成本可能并不高于300mm半導(dǎo)體硅片,。此外，在高精度模擬電路,、射頻前端芯片,、嵌入式存儲(chǔ)器、CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器,、高壓MOS等特殊產(chǎn)品方面,，200mm 及以下芯片制造的工藝更為成熟。綜上,，200mm及以下半導(dǎo)體硅片的需求依然存在,。隨著汽車電子、工 業(yè)電子等應(yīng)用的驅(qū)動(dòng),，200mm半導(dǎo)體硅片的需求呈上漲趨勢(shì),。目前，除上述特 殊產(chǎn)品外,，200mm及以下半導(dǎo)體硅片的需求主要來(lái)源于功率器件,、電源管理器、非易失性存儲(chǔ)器,、MEMS,、顯示驅(qū)動(dòng)芯片與指紋識(shí)別芯片等，終端應(yīng)用領(lǐng)域主要為移動(dòng)通信,、汽車電子,、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)電子等,。

　　接下來(lái),，我們看一下碳化硅基片。

　　碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導(dǎo)體的核心材料,，以其制作的器件具有耐高溫,、耐高壓、高頻,、大功率,、抗輻射等特點(diǎn),，具有開(kāi)關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢(shì),，可大幅降低產(chǎn)品功耗,、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積。目前,，碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于以5G通信,、國(guó)防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車,、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域,，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場(chǎng)前景,。同時(shí),，我國(guó)“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導(dǎo)體納入重點(diǎn)支持領(lǐng)域，隨著國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施,，碳化硅半導(dǎo)體將在5G基站建設(shè),、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通,、新能源汽車充電樁,、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　因此,，以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng),、面向國(guó)家重大需 求的戰(zhàn)略性行業(yè)。全球?qū)捊麕О雽?dǎo)體行業(yè)目前總體處于發(fā)展初期階段,，相比硅和砷化鎵等半導(dǎo)體而言,，在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域我國(guó)和國(guó)際巨頭公司之間的整體技術(shù)差距相對(duì)較小。另外,，由于寬禁帶半導(dǎo)體的下游工藝制程具有更高的包容性和寬容度,，下游制造環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備的要求相對(duì)較低，投資額相對(duì)較小,，制約寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵之一在上游材料端,。因此，我國(guó)若能在寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)上游襯底材料行業(yè)實(shí)現(xiàn)突破,，將有望在半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車,。

　　由于全球行業(yè)龍頭企業(yè)在碳化硅領(lǐng)域起步較早，因此在碳化硅襯底各尺寸量產(chǎn)推出時(shí)間方面,，中國(guó)的企業(yè)與全球行業(yè)龍頭企業(yè)存在差距：以半絕緣型碳化硅襯底為例,，在4英寸至 6英寸襯底的量產(chǎn)時(shí)間上全球行業(yè)龍頭企業(yè)分別早于中國(guó)龍頭企業(yè)（天岳先進(jìn)）10年以上及 7 年以上；截至目前，中國(guó)（天岳先進(jìn)）尚不具備8英寸襯底的量產(chǎn)能力,，全球行業(yè)龍頭企業(yè)已于2019年或以前具備 8 英寸襯底量產(chǎn)能力,。在大尺寸產(chǎn)品供應(yīng)情況方面，根據(jù)公開(kāi)信息,，行業(yè)龍頭科銳公司能夠批量供應(yīng)4英寸至6英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底,，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè)8英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線。目前,，公司主要產(chǎn)品是4英寸半絕緣型碳化硅襯底,，6英寸半絕緣型和6英寸導(dǎo)電型襯底已形成小批量銷售，與全球行業(yè)龍頭尚存在一定的差距,。

　　目前下游行業(yè)已利用碳化硅在高壓,、高溫、高功率,、高頻等方面的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)出新一代半導(dǎo)體器件，碳化硅襯底的下游應(yīng)用主要為射頻器件及功率器件,，其下游應(yīng)用發(fā)展情況較好,。在5G基站建設(shè)、無(wú)線電探測(cè),、新能源汽車及充電樁等領(lǐng)域得到快速應(yīng)用,，并將在光伏新能源、軌道交通,、智能電網(wǎng)等行業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用,。

　　碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì),。但是在射頻器件,、功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場(chǎng)應(yīng)用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本,。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢,、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長(zhǎng)速度慢,、缺陷控制難度大,。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內(nèi)依然較為高昂,。

　　例如,，目前碳化硅功率器件的價(jià)格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價(jià)格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來(lái)的綜合成本下降之間的關(guān)系,，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率,，使得碳化硅材料即使在部分相對(duì)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域的降成本、促銷售的可行性和預(yù)期進(jìn)展仍存在較大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致整體行業(yè)發(fā)展不達(dá)預(yù)期,，對(duì)發(fā)行人的經(jīng)營(yíng)產(chǎn)生不利影響,。公司生產(chǎn)所需的原材料主要包括碳粉和硅粉等主料和石墨件、石墨氈,、拋光液,、金剛石粉等輔料。生產(chǎn)設(shè)備主要包括長(zhǎng)晶爐,、切割研磨設(shè)備等,。

　　主要生產(chǎn)流程

　　在對(duì)原理和技術(shù)有了基本了解以后，我們進(jìn)一步探討其制造流程,。首先看硅基生產(chǎn)流程,。

　　半導(dǎo)體硅片的生產(chǎn)流程較長(zhǎng)，涉及工藝較多,。半導(dǎo)體拋光片生產(chǎn)環(huán)節(jié)包含了拉晶,、滾圓、切割,、 研磨,、蝕刻、拋光,、清洗等工藝,；半導(dǎo)體外延片生產(chǎn)過(guò)程主要為在拋光片的基礎(chǔ) 上進(jìn)行外延生長(zhǎng)；SOI 硅片主要采用鍵合或離子注入等方式制作,。半導(dǎo)體硅片每 一個(gè)工藝環(huán)節(jié)均會(huì)影響產(chǎn)成品的質(zhì)量,、性能與可靠性 。

　　根據(jù)制造工藝分類,，半導(dǎo)體硅片主要可以分為拋光片,、外延片與以SOI 硅片為代表的高端硅基材料。單晶硅錠經(jīng)過(guò)切割,、研磨和拋光處理后得到拋光片,。拋光片經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)形成外延片，拋光片經(jīng)過(guò)氧化,、鍵合或離子注入等工藝處理后 形成 SOI 硅片,。隨著集成電路特征線寬的不斷縮小，光刻機(jī)的景深也越來(lái)越小,，硅片上極其 微小的高度差都會(huì)使集成電路布線圖發(fā)生變形,、錯(cuò)位，這對(duì)硅片表面平整度提出了苛刻的要求,。

　　此外,，硅片表面顆粒度和潔凈度對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品的良品率也有直接影響。拋光工藝可去除加工表面殘留的損傷層，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體硅片表面平坦化,，并進(jìn)一步減小硅片的表面粗糙度以滿足芯片制造工藝對(duì)硅片平整度和表面顆粒度的要求,。拋光片可直接用于制作半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)芯片與功率器件等,，也可作為外延片,、SOI 硅片的襯底材料。外延是通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方式在拋光面上生長(zhǎng)一層或多層,，摻雜類型,、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)都符合特定器件要求的新硅單晶層,。外延技術(shù)可以減少硅 片中因單晶生長(zhǎng)產(chǎn)生的缺陷,，具有更低的缺陷密度和氧含量。

　　外延片常在CMOS電路中使用,，如通用處理器芯片,、圖形處理器芯片等，由于外延片相較于拋光片 含氧量,、含碳量,、缺陷密度更低，提高了柵氧化層的完整性,，改善了溝道中的漏電現(xiàn)象,，從而提升了集成電路的可靠性,。除此之外,，通常在低電阻率的硅襯底上 外延生長(zhǎng)一層高電阻率的外延層，應(yīng)用于二極管,、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管） 等功率器件的制造,。功率器件常用在大功率和高電壓的環(huán)境中，硅襯底的低電阻 率可降低導(dǎo)通電阻,，高電阻率的外延層可以提高器件的擊穿電壓,。

　　外延片提升了器件的可靠性，并減少了器件的能耗,，因此在工業(yè)電子,、汽車電子等領(lǐng)域廣泛使用。SOI硅片即絕緣體上硅,，是常見(jiàn)的硅基材料之一,，其核心特征是在頂層硅和支撐襯底之間引入了一層氧化物絕緣埋層，具體流程如下：

　　▲圖一 硅片生產(chǎn)流程

　　再看碳化硅基生產(chǎn)流程,，其具體可以分為以下幾步：

　?。?）原料生成：（PVT氣相形成，結(jié)構(gòu)也多，控制度很難）

　　將高純硅粉和高純碳粉按工藝配方均勻混合,，在 2,000℃以上的高溫條件下,，于反應(yīng)腔室內(nèi)通過(guò)特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的,、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì),，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過(guò)破碎,、篩分,、清洗等工序，制得滿足晶體生長(zhǎng)要求的高純度碳化硅粉原料,。每一批進(jìn)行取樣測(cè)試純度,、顆粒度等。

　?。?）晶體生長(zhǎng)

　　中國(guó)企業(yè)一般采用PVT 法制備碳化硅單晶,，PVT 法通過(guò)感應(yīng)加熱的方式在密閉生長(zhǎng)腔室內(nèi)在 2,300°C 以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料,，使其升華產(chǎn)生包含 Si,、Si2C、SiC2 等不同氣相組分的反應(yīng)氣體,，通過(guò)固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源,；由于固相升華反應(yīng)形成的 Si、C 成分的氣相分壓不同,，Si/C化學(xué)計(jì)量比隨熱場(chǎng)分布存在差異,，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場(chǎng)和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長(zhǎng)腔室既定的結(jié)晶位置,；為了避免無(wú)序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅,，在生長(zhǎng)腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶（種子），輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過(guò)飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積,，生長(zhǎng)為碳化硅單晶,。

　　以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固-氣-固反應(yīng)過(guò)程都處于一個(gè)完整且密閉的生長(zhǎng)腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合,，任意生長(zhǎng)條件的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)發(fā)生變化,，影響碳化硅晶體生長(zhǎng)的穩(wěn)定性；此外,，碳化硅單晶在其結(jié)晶取向上的不同密排結(jié)構(gòu)存在多種原子連接鍵合方式,，從而形成 200 多種碳化硅同質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的晶型，且不同晶型之間的能量轉(zhuǎn)化勢(shì)壘極低,。因此,，在 PVT 單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)中極易發(fā)生不同晶型的轉(zhuǎn)化,，導(dǎo)致目標(biāo)晶型雜亂以及各種結(jié)晶缺陷等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。故需采用專用檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷,。

　?。?）晶錠加工

　　將碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后通過(guò)精密機(jī)械加工的方式磨平,、滾圓,，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸和角度的碳化硅晶棒。對(duì)所有成型晶棒進(jìn)行尺寸,、角度等指標(biāo)檢測(cè),。

　　（4）晶棒切割

　　在考慮后續(xù)加工余量的前提下,，使用金剛石細(xì)線將碳化硅晶棒切割成滿足客戶需求的不同厚度的切割,，并使用全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行翹曲度（Warp）、彎曲度（Bow）,、厚度變化（TTV）等面型檢測(cè),。

　　（5）切割片研磨

　　通過(guò)自有工藝配方的研磨液將切割片減薄到相應(yīng)的厚度,，并且消除表面的線痕及損傷,。使用全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備及非接觸電阻率測(cè)試儀對(duì)全部切割片進(jìn)行面型及電學(xué)性能檢測(cè)。

　?。?）研磨片拋光

　　通過(guò)配比好的拋光液對(duì)研磨片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光,，用來(lái)消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等,，使研磨片表面達(dá)到納米級(jí)平整度,。使用X射線衍射儀、原子力顯微鏡,、表面平整度測(cè)試儀,、表面缺陷綜合測(cè)試儀等儀器設(shè)備,，檢測(cè)碳化硅拋光片的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),，據(jù)此判定拋光片的質(zhì)量等級(jí)。

　?。?）拋光片清洗

　　在百級(jí)超凈間內(nèi),，通過(guò)特定配比的化學(xué)試劑及去離子水對(duì)清洗機(jī)內(nèi)的拋光片進(jìn)行清洗，去除拋光片表面的微塵顆粒,、金屬離子,、有機(jī)沾污物等，甩干封裝在潔凈片盒內(nèi),，形成可供客戶開(kāi)盒即用的碳化硅襯底,。

　　注：圖片來(lái)源于巨浪資訊

　　▲圖二 碳化硅基片生產(chǎn)流程

　　制造污染問(wèn)題分析

　　在討論這些材料的時(shí)候,，不能忽視的一個(gè)方面是制造污染，我們同樣從硅基個(gè)碳化硅基兩個(gè)方向分析,。

　　首先看硅基生產(chǎn)污染,。其生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的多個(gè)環(huán)節(jié)涉及環(huán)境污染，生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生一定量的廢水,、 廢氣,、固廢和噪音。廢水包括工藝廢水,、廢氣處理系統(tǒng)廢水,，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均有一定量的清洗廢水產(chǎn)生；廢氣包括微酸性廢氣,、外延廢氣,、廢水處理系統(tǒng)廢氣和 微堿性廢氣，其中微酸性廢氣主要來(lái)源于應(yīng)力清除,、清洗環(huán)節(jié),，外延廢氣來(lái)自于 外延環(huán)節(jié)，廢水處理系統(tǒng)廢氣來(lái)自于廢氣處理,；固廢主要包括廢化學(xué)包裝,、廢石 英坩堝、廢石墨熱場(chǎng),、廢磨輪,、廢金剛線等，固廢產(chǎn)生的生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括拉晶,、研磨,、拋光、廢水處理等環(huán)節(jié),；噪音來(lái)源主要為廢氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī),、冷卻塔、空壓機(jī),、空調(diào)機(jī)組,、各類泵等。

　　注：圖片來(lái)源于巨浪資訊

　　▲圖三 硅基生產(chǎn)污染及處理

　　再看碳化硅污染,，碳化硅襯底材料生產(chǎn)主要工序涉及原料合成,、晶體生長(zhǎng)、晶錠加工,、晶棒切割,、切割片研磨、研磨片拋光,、拋光片清洗等環(huán)節(jié),，不屬于重污染行業(yè),；產(chǎn)生的主要污染物為廢水（主要包括酸洗清洗廢水、廢氣凈化廢水,、倒角清洗廢水,、研磨清洗廢水、機(jī)械拋光清洗廢水,、生活污水等）,、一般固廢（主要包括提純雜質(zhì)、加工下腳料,、生活垃圾等）,、危險(xiǎn)廢物（主要包括廢研磨液、廢切削液,、廢拋光液等）,、廢氣（主要包括酸洗廢氣、乙醇清洗廢氣,、有機(jī)廢氣等）,、噪聲等。公司污染物處理主要方式為：廢水通過(guò)經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排入市水質(zhì)凈化廠進(jìn)一步處理,；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理,，其他通過(guò)回收單位進(jìn)行資源再利用；危險(xiǎn)廢物通過(guò)委托有資質(zhì)第三方機(jī)構(gòu)處理,；廢氣通過(guò)排污裝置合規(guī)排放,；噪音通過(guò)車間隔音措施等方式處理。

　　材料屬性對(duì)比

　　第一,、二,、三、四代半導(dǎo)體材料各有利弊,，并無(wú)絕對(duì)的替代關(guān)系,，而是在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中存在各自的比較優(yōu)勢(shì)。這應(yīng)該是建立的一個(gè)常識(shí)認(rèn)知,。以下材料的性能對(duì)比：

　　注1：碳化硅有200多種結(jié)構(gòu),，以上為常見(jiàn)的4H-SiC，氧化鎵為β-氧化鎵

　　注2：數(shù)據(jù)來(lái)源為《寬禁帶半導(dǎo)體高頻及微波功率器件與電路》,，趙正平著,，國(guó)防工業(yè)出版

　　硅屬于半導(dǎo)體材料,，其自身的導(dǎo)電性并不是很好,。然而，可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)膿诫s劑來(lái)精確控制它的電阻率,。制造半導(dǎo)體前,，必須將硅轉(zhuǎn)換為晶圓片(wafer),。這要從硅錠的生長(zhǎng)開(kāi)始。單晶硅是原子以三維空間模式周期形成的固體,，這種模式貫穿整個(gè)材料,。多晶硅是很多具有不同晶向的小單晶體單獨(dú)形成的，不能用來(lái)做半導(dǎo)體電路,。多晶硅必須融化成單晶體,，才能加工成半導(dǎo)體應(yīng)用中使用的晶圓片。加工硅晶片生成一個(gè)硅錠要花一周到一個(gè)月的時(shí)間,，這取決于很多因素,，包括大小、質(zhì)量和終端用戶要求,。超過(guò)75%的單晶硅晶圓片都是通過(guò)Czochralski(CZ,，也叫提拉法)方法生長(zhǎng)的。

　　至于碳化硅,，根據(jù)《中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)：新材料（第三代半導(dǎo)體材料）》,，與硅相比，碳化硅擁有更為優(yōu)越的電氣特性：①耐高壓：擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大,，是硅的 10 倍,，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度,，并大大降低器件的導(dǎo)通損耗,。②耐高溫：半導(dǎo)體器件在較高的溫度下，會(huì)產(chǎn)生載流子的本征激發(fā)現(xiàn)象,，造成器件失效,。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高,。碳化硅的禁帶接近硅的3倍,，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過(guò) 300℃,，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達(dá)到 600℃以上,。

　　同時(shí)，碳化硅的熱導(dǎo)率比硅更高,，高熱導(dǎo)率有助于碳化硅器件的散熱,，在同 樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對(duì)散熱的設(shè)計(jì)要求更低,，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化,。③實(shí)現(xiàn)高頻的性能：碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的2倍,，這決定了碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度,?；谶@些優(yōu)良的特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底,，可以滿足高溫,、高壓、高頻,、大功率等條件下的應(yīng)用需求,，已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。

　　接下來(lái)看不同器件對(duì)比,。

　　功率器件,，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅減小至原來(lái)的1/10,，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來(lái)的1/100,。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET較硅基IGBT的總能量損耗可大大降低70%。碳化硅功率器件具有高電壓,、大電流,、高溫、高頻率,、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，將極大地提高現(xiàn)有使用硅基功率器件的能源轉(zhuǎn)換效率，對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域產(chǎn)生 重大而深遠(yuǎn)的影響,，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車/充電樁,、光伏新能源、軌道交通,、智能電網(wǎng)等,。碳化硅器件具有低損耗、高開(kāi)關(guān)頻率,、高適用性,、降低系統(tǒng) 散熱要求等優(yōu)點(diǎn)，將在光伏新能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。

　　例如,，在住宅和商業(yè)設(shè)施光伏系統(tǒng)中的組串逆變器里，碳化硅器件在系統(tǒng)級(jí)層面帶來(lái)成本和效能的好處,。陽(yáng)光電源等光伏逆變器龍頭企業(yè)已將碳化硅器件應(yīng)用至其組串式逆變器中,。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主逆變器負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī),，是汽車的關(guān)鍵元器件,，特斯拉Model 3的主逆變器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的24個(gè)碳化硅MOSFET功率模塊。

　　注：圖片來(lái)源于巨浪資訊

　　▲圖四 不同襯底器件對(duì)比圖

　　碳化硅基氮化鎵射頻器件具有良好的導(dǎo)熱性能、高頻率,、高功率等優(yōu)勢(shì),，有望開(kāi)啟其廣泛應(yīng)用,。氮化鎵射頻器件是迄今為止最為理想的微波射頻器件,，因此 成為 4G/5G 移動(dòng)通訊系統(tǒng)、新一代有源相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的核心微波射頻器件,。氮化鎵射頻器件正在取代 LDMOS在通信宏基站,、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)流量,、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長(zhǎng),，氮化鎵器件在基站中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

　　根據(jù) Yole 預(yù)測(cè),，至2025年,，功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中，砷化鎵器件市場(chǎng)份額基本維持不變的情況下,，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份額,，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。

　　氮化鎵射頻器件主要基于碳化硅,、硅等異質(zhì)襯底外延材料制備的,，并在未來(lái)一段時(shí)期也是主要選擇。相比較硅基氮化鎵,，碳化硅基氮化鎵外延主要優(yōu)勢(shì)在其材料缺陷和位錯(cuò)密度低,。碳化硅基氮化鎵材料外延生長(zhǎng)技術(shù)相對(duì)成熟，且碳化硅襯底導(dǎo)熱性好,，適合于大功率應(yīng)用,，同時(shí)襯底電阻率高降低了射頻損耗，因此碳化硅基氮化鎵射頻器件成為目前市場(chǎng)的主流,。根據(jù) Yole 報(bào)告,，90%左右的氮化鎵射頻器件采用碳化硅襯底制備。

　　生產(chǎn)商家對(duì)比

　　我們還需要對(duì)廠商進(jìn)行一些基本的分析,。其中硅基片主要生產(chǎn)商家資料如下,。

　　▲圖五 硅基生產(chǎn)商家對(duì)比

　　（1）信越化學(xué)

　?、傩旁交瘜W(xué)（4063.T） 信越化學(xué)是全球排名第一的半導(dǎo)體硅片制造商,，是日本著名的化學(xué)品公 司。信越化學(xué)設(shè)立于 1926 年,，為東京證券交易所上市公司,。主營(yíng)業(yè)務(wù)包括 PVC（聚氯乙烯）、有機(jī)硅塑料、纖維素衍生物,、半導(dǎo)體硅片,、磷化鎵、稀土 磁體,、光刻膠等產(chǎn)品的研發(fā),、生產(chǎn)、銷售,。信越化學(xué)采取多元化發(fā)展戰(zhàn)略,，在 多個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域均全球領(lǐng)先。信越化學(xué)于 2001 年開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn) 300mm 半導(dǎo)體 硅片,，半導(dǎo)體硅片產(chǎn)品類型包括 300mm 半導(dǎo)體硅片在內(nèi)的各尺寸硅片及 SOI 硅片,。

　　（2）Siltronic

　　Siltronic是全球排名第四的半導(dǎo)體硅片制造商,，主營(yíng)經(jīng)營(yíng)地在德國(guó)于2015年在法蘭克福證券交易所上市,。Siltronic專注于半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)，從1953年開(kāi)始從事半導(dǎo)體硅片業(yè)務(wù)的研發(fā)工作,，1998年實(shí)現(xiàn)300mm半導(dǎo)體硅片的試生產(chǎn),，2004年300mm半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)線投產(chǎn)。主要產(chǎn)品包括125-300mm半導(dǎo)體硅片,。2016年至 2018 年,，Siltronic實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入 9.33億歐元、11.77億歐元,、14.57億歐元,，2017年、2018年同比增長(zhǎng)26.15%,、23.79%,。

　　再看碳化硅基生產(chǎn)主要商家資料。

　　▲圖六 碳化硅襯底主要生產(chǎn)商家資料

　?。?）Cree

　　Cree成立于1987年,，于1993年在美國(guó)納斯達(dá)克上市。Cree的子公司 Wolfspeed 從事碳化硅,、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體襯底,、功率器件、射頻器件等產(chǎn)品的技術(shù)研究與生產(chǎn)制造,；此外,，科銳公司還曾從事 LED 芯片及組件等業(yè)務(wù)?？其J公司能夠批量供應(yīng) 4 英寸至 6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底,，且已成功研發(fā)并開(kāi)始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)品生產(chǎn)線,，目前科銳公司的碳化硅晶片供應(yīng)量位居世界前列。2020 年 10 月 13 日,，科銳公司將 LED 產(chǎn)品業(yè)務(wù)出售,，全力爭(zhēng)取電動(dòng)汽車、5G 通信和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的增長(zhǎng)機(jī)會(huì),。

　?。?）貳陸公司（納斯達(dá)克：IIVI）

　　貳陸公司成立于 1971 年，是工程材料,、光電元件和光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先企業(yè),，為材料加工,、通信,、航空航天與國(guó)防、生命科學(xué),、半導(dǎo)體設(shè)備,、汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供垂直整合解決方案，于 1987 年在美國(guó)納斯達(dá)克上市,。貳陸公司能夠提供 4 至 6 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底,。目前貳陸公司的碳化硅襯底供應(yīng)量位居世界前列。

　　總結(jié)與展望

　　總結(jié)以上信息可知,，中國(guó)的半導(dǎo)體事業(yè)正處于蒸蒸日上百家爭(zhēng)鳴的繁榮快速發(fā)展階段,，目前硅基產(chǎn)品在市場(chǎng)的占有率很大，但是局限性明顯,，碳化硅基片的產(chǎn)品明顯優(yōu)勢(shì)很多,，但是相對(duì)于硅基其價(jià)格、制備難度等等是阻礙其發(fā)展的一大挑戰(zhàn),。