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大家都在关注的SiC是什么?

2019-08-31
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近年来,国内外对碳化硅的关注度日益增加,尤其是国外的领先厂商,他们在这个市场的步伐更是走得非常快。究竟这个产品有什么魔力?让我们来看一下。


碳化硅是何方神圣?

碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等,因为禁带宽度大于2.2eV统称为宽禁带半导体材料,在国内也称为第三代半导体材料。


在半导体业内从材料端分为:第一代元素半导体材料,如硅(Si)和锗(Ge);第二代化合物半导体材料:如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等;第三代宽禁带材料,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(ALN)、氧化镓(Ga2O3)等。


其中碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。


历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后,特别是进入21世纪以后,人类终于理清了碳化硅的优点和特性,并利用碳化硅特性,做出各种新器件,碳化硅行业得到较快发展。


相比传统的硅材料,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。



种种特性意味着碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。


目前已知的碳化硅有约200种晶体结构形态,分立方密排的闪锌矿α晶型结构(2H、4H、6H、15R)和六角密排的纤锌矿β晶型结构(3C-SiC)等。


其中β晶型结构(3C-SiC)可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料的衬底,例如用来生长氮化镓外延层、制造碳化硅基氮化镓微波射频器件等。α晶型4H可以用来制造大功率器件;6H最稳定,可以用来制作光电器件。
3C-SiC 晶体结构



碳化硅未来是否会替代硅?

第三代半导体材料和传统硅材料,应用领域是完全不同的,硅更多的是用来制作存储器、处理器、数字电路和模拟电路等传统的集成电路芯片。而碳化硅因为能承受大电压和大电流,特别适合用来制造大功率器件、微波射频器件以及光电器件等。特别是在功率半导体领域未来碳化硅成本降低后,会对硅基的MOSFET IGBT 等进行一定的替代。但是碳化硅不会用来做数字芯片,两者是互补关系,部分功率器件领域,未来碳化硅芯片将占据优势。


新一代黄金赛道,得碳化硅者得天下

从应用端讲,碳化硅被称为“黄金赛道”丝毫不过分。


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。即碳化硅上长碳化硅外延层,用于制造功率器件;碳化硅上长氮化镓外延层,可以用来制造中低压高频功率器件(小于650V)、大功率微波射频器件以及光电器件。



有人不禁要问,碳化硅上长同质外延可以理解,但是为什么可以成为氮化镓外延片的最佳异质衬底?氮化镓外延片为什么不用氮化镓单晶衬底呢?其实从来理论上来讲,氮化镓外延片最好就是用本身氮化镓的单晶衬底,但是氮化镓单晶衬底实在太难了做,反应过程中有上百种副产物很难控制,同时长晶效率奇低,且面积较小、价格昂贵,不具备任何经济性。而碳化硅和氮化镓有着超过95%的晶格适配度,性能指标远超其他衬底材料,如蓝宝石、硅、砷化镓等。因此碳化硅基氮化镓外延片成为最佳选择。


所以碳化硅衬底材料可以满足两种当下最具潜力材料的对衬底材料的需求,“一材两用”,因此这便是“得碳化硅者得天下”的说法来源。


碳化硅有啥优势?

如果只算碳化硅芯片,在功率半导体方面碳化硅的对比传统硅基功率芯片,有着无可比拟的优势:碳化硅能承受更大的电流和电压、更高的开关速度、更小的能量损失、更耐高温。因此用碳化硅的做成的功率模组可以相应的减少了电容、电感、线圈、散热组件的部件,使得整个功率器件模组更加轻巧、节能、输出功率更强,同时还增强了可靠性,优点十分明显。


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。



2015年,汽车巨头丰田便展示了全碳化硅模组的PCU。相比之下,碳化硅PCU仅为传统硅PCU的体积的1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%,提升混动车10%以上的经济性,经济社会效益十分明显。


碳化硅 PCU 和硅 PCU的对比


此外知名电动车厂商特斯拉的Model 3也宣布采用了意法半导体的全碳化硅模组。行业内外均已经看到碳化硅未来的巨大应用潜力,纷纷布局,因此“黄金赛道”名副其实。


想说爱你不容易

所有优质妹子都不易得手,所有好的材料制造都难于上青天。


所有人都知道碳化硅未来巨大的商业前景,但是所有投身这个行业的就会遇到第一条最现实的问题,材料怎么办?


目前传统硅基产业极其成熟的商业环境,至少有一大半原因是硅材料较为容易得到。硅材料成熟且高效的制备技术使得硅材料目前十分低廉,目前6英寸硅抛光片仅150元,8英寸300元,12英寸850元左右。


只有原材料足够便宜,产业规模才可能做大!


目前用直拉法,72小时能生长出2-3米左右的硅单晶棒,一根单晶棒一次能切下上千片硅片。


你知道72小时能长多少厚碳化硅单晶体吗?只有几厘米都不到!


目前最快的碳化硅单晶生长的方法,生长速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右,因此72小时也仅有7.2mm~14.4mm厚度的晶体。


所以大家可以想象,生产出来的碳化硅单晶片能贵成啥样了。目前4英寸碳化硅售价在4000-5000元左右,6英寸更是达到8000-10000元的水平,而且还有价无货。



就这么薄薄的一片,买一只华为最新的5G手机,还有的找!但是你想买还买不到!


作为全世界碳化硅龙头企业,美国科锐(Cree)几乎垄断了70%以上的产能,因此国内外下游厂家,纷纷和科锐签订长期合约锁定产能。




当前碳化硅片短缺且昂贵,是行业最大痛点,只要掌握了碳化硅原材料等于控制了行业的核心,其他事都相对容易解决,目前最难解决的就是原材料问题。国内公司如能解决痛点,将有极大的发展机会!无论华为未来是真的有心来做碳化硅,还是有其他战略目标,此番华为投资入股国内龙头,合情合理。


掌握原材料就制霸整个行业啊!


我们已经在传统的硅器件上落后过,真心不希望在第三代半导体领域再发生一次,因此无论从国家层面的政策支持,还是社会资本的投入,都踊跃支持中国第三代半导体产业的发展,“黄金赛道”名副其实!


延伸阅读:为什么碳化硅这么难做?


碳化硅这种材料,在自然界是没有的,必须人工合成,结果必然是成本远远高于可以自然开采的材料。


碳化硅升华熔点约2700度,且没有液态,只有固态和气态,因此注定不能用类似拉单晶的切克劳斯基法(CZ法)制备。


目前制备半导体级的高纯度碳化硅单晶,主要为Lely 改良法,有三种技术路线,物理气相运输法(PVT)、溶液转移法(LPE)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)。
PVT法
LPE法


HT-CVD法



三种方法的原理及优劣势对比


其中LPE法仅用于实验室。商业路线上,PVT法和HT-CVD法较多,由于PVT炉价格低于HT-CVD设备,且工艺过程更简单些,因此业内普遍更看好PVT法。


不管是HT-CVD还是PVT,效率都极其缓慢,最快也仅每小时0.1-0.2mm的生长速度,因此长几天几夜也就几厘米。


PVT方法其实很简单,类似锅盖上的水蒸气凝结过程。就是加热碳化硅粉体,然后利用温度梯度差,在顶部凝结生长晶体。优点是方法简单,设备较为便宜;缺点是目前速度较慢,且对碳化硅粉体质量要求极高,粉体的质量极大影响了晶体的缺陷,位错密度等一系列指标。


目前国内用焦炭+石英粉直接混合加热,再碾碎成碳化硅粉,用酸洗净。这种用工业级碳化硅粉的方法来做半导体级的碳化硅粉,声称能做出5N以上的高纯碳化硅粉体,个人表示深刻怀疑。


个人判断未来PVT技术发展的方向,应该是炉体和粉体,以及工艺同步发展,共同突破,才能使得碳化硅晶体生长技术的不断前进。


“目前很多人都在研究关注炉体和长晶体技术,其实粉体技术也非常关键。”台州一能科技的总经理张乐年表示,“我们把更多的精力放在了原材料高纯碳化硅粉体的研究上。


张总表示,碳化硅粉体的纯度,晶形以及以及比表面积等性能参数对于PVT法晶体生长极为关键。


“我们有自己的粉体技术,我们的粉体纯度高、比表面积大,而且均为3C晶态。这种高比表面积的粉体在加热过程中,吸热极快,使得PVT炉内碳化硅气体浓度远超普通粉体加热后浓度。高浓度环境下,极大的加快了晶体的结晶速度,目前特制粉体的实验速度可以达到普通粉体长晶速度的5倍,而且由于粉体纯度高,因此晶体品质极佳。


目前台州一能科技另辟蹊径研制出的新式碳化硅粉体合成方法——“局部超高温碳化硅粉合成法”,已经在国内外获得了20余项专利。


延伸阅读:盘点国内第三代半导体产业公司



从产业链图上可以看出,碳化硅分成单晶、外延、设计、制造、封装及模块制造最终到终端应用。


在单晶制备领域,除了本次华为投资入股的公司外,还有天科和达、河北同光、世纪金光、神州科技以及中科刚研,还有中电2所、13所、46所、55所。此外还有一家由三安光电控股的北电新材。


在外延环节有大基金入股的瀚天天成、东莞天域、北电新材、世纪金光、中电13所、55所等。


在生产环节国内龙头是泰科天润,其他还有世纪金光、深圳基本半导体、芯光润泽等公司,以及相当一部分原本做传统硅基功率半导体,现在开始布局到碳化硅赛道的大厂,如中车时代、国扬电子、士兰微、扬杰科技、嘉兴斯达、甚至车企比亚迪也有布局,国内功率老大华润微电子也在招股说明书中披露准备投入数亿元要大力发展碳化硅产业,此外还有一大群正在来中国路上的海外创业团队。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第2053期内容,欢迎关注。

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