【原】碳化硅半导体很简单​？这只是个错觉​！

这两年，第三代半导体材料碳化硅（SiC）很火！媒体将2021年誉为“碳化硅爆发元年”，2022年为“碳化硅功率芯片应用的新元年”。资本市场也是闻风而动，与碳化硅擦点边的标的扶摇直上。目前，国内外龙头企业不断布局碳化硅产业以及大量的新增产能，甚至跨行联名款不断涌现，似乎碳化硅半导体真的很简单！

首先，我们要搞明白什么是碳化硅半导体？

半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料（大部分为目前广泛使用的高纯度硅），第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟），第三代化合物半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表。如果说现代信息时代的科技原动力是建立在“摩尔定律”的基础上，也就是硅基时代，那么部分延续或重塑未来科技辉煌的希望就寄托在宽禁带半导体材料上，尤其是功率、射频器件领域。

一、为什么要用碳化硅？

（1）碳化硅（SiC）是第三代半导体产业发展的重要基础材料。与Si相比，SiC在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。SiC击穿场强是Si的10倍，这意味着同样电压等级的SiCMOSFET外延层厚度只需要Si的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低；且SiC禁带宽度（~3.2eV）是Si的3倍，导电能力更强。导热率为硅的4-5倍电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。

（2）与IGBT相比，SiC可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。在600V以上的应用中，对于Si材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等为代表的少数载流子器件。IGBT中，由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，继而产生较大的开关损耗，并伴随发热。而SiC是具有快速器件结构特征的多数载流子器件，开关关断时没有拖尾电流，开关损耗减少74%。

二、碳化硅的优势应用领域

基于这些优良特性，碳化硅衬底在使用极限性能上优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求。因此，碳化硅材料制备的射频器件及功率器件，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。例如，相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减小至原来的1/10，导通电阻可至少降低至原来的1/100。相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。因此，碳化硅是半导体材料领域中具备广阔前景的材料之一。

碳化硅为什么会进入高速发展阶段？

人类历史上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。随后各国科学家经过深入研究之后，终于理清了碳化硅的优点和特性，并且发明了各种碳化硅的长晶技术，产业研究前后长达70多年。

碳化硅功率器件早在 20 年前已推出。2001年，英飞凌就做出了第一只碳化硅二极管，然后Cree，罗姆，ST等公司也相继进入碳化硅领域，做出了碳化硅二极管，三极管，MOSFET管等，有少量科研机构用研发过碳化硅IGBT结构，但是找不到应用场景。也就是说，以前大家都知道碳化硅很好，但是问题也很多：（1）长晶技术不成熟，晶体内缺陷太多，严重影响良率和稳定性，可靠性；（2）应用场景不明确。因为碳化硅器件虽然性能强，但是太贵，找不到一个很适合的商业落点。受制于成本及下游扩产意愿不足， 碳化硅产业化推进缓慢。 

2018 年， 特斯拉作为全球第一的造车新势力率先使用全碳化硅方案后，碳化硅器件才开始成为市场发展热点。特斯拉是业内第一个提出使用碳化硅替代硅的车企，并且大胆用到特斯拉上，随后其他车厂纷纷效仿，碳化硅迎来大规模上车的阶段，因此业内认为碳化硅发展元年是在2019年，特斯拉这一大胆的举动，拉开了碳化高速发展的序幕。深入研究大家发现，碳化硅各种特性完美契合汽车应用。耐高温，耐高压，优秀的高频开关能力，过大电流的能力。最关键是使用碳化硅后，能减少周围电路元件用料，这样设计大大简化，重量和体积减少非常多。最关键的是，汽车整车价值量较高，能够覆盖碳化硅较高的成本，于是碳化硅找到了汽车这一完美的落地场景，开始加速发展。

根据乘联会数据，2022 年 6 月我国新能源乘用车零售销量 53.1 万辆，同比增长 130.6%，当月渗透率 27.3%；2022H1 累计零售销量 224.7 万辆，同比增长 122.4%, 渗透率 24.3%。相较于 2021 年全年渗透率 14.8%，增长近 10%，已经提前实现 《2020-2035 新能源汽车产业发展规划》中 2025 年新能源汽车渗透率达到 20%的愿 景。我国新能源乘用车需求已完成了由政策引导向市场驱动的转变，随着原油价格 高企、动力电池材料成本下降和汽车“缺芯”问题缓解，新能源汽车渗透率有望进 一步加速。根据波士顿咨询预测，在 2030 年之前全球纯电动汽车的销量将超过所有混合动力类型的汽车之和，全球电动车渗透率将达到 44%，而中国电动车渗透率 在 2030 年将达到 57%。新能源汽车行业方兴未艾，推动了 SiC 产业链的快速发展。未来5年，汽车将成为碳化硅市场的主要驱动力。

另外，“双碳”背景驱动下，功率半导体产业蓬勃发展。2021 年 10 月 26 日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，明确提出大力推广 新能源汽车，逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比，到2030年，当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到 40%左右。在这一长达40年的国家重大战略里，基于功率半导体的诸多电气技术将在碳中和进程中起着不可替代的关键作用，将成为 21 世纪可再生能源和高效负载能源网络的关键驱动力。

21 世纪的能源网络，无论是太阳能、风能和储能等可再生能源，还 是电动汽车和变频电机等高效负载，都需要功率半导体来实现。随着全球制定“碳达峰、碳中和”目标，将带来更多绿色能源发电、绿色汽车、充电桩、储能等需求， 根据 Yole 预测，全球功率半导体器件市场有望从 2020 年 175 亿美元增长至 2026 年 的 262 亿美元，年均复合增长率为 6.9%。

受益于新能源汽车、光伏、轨道交通等下游景气应用驱动，全球碳化硅功率器件市 场规模不断扩大。根据 Yole 预测，2021-2027 年全球碳化硅功率器件市场规模有望 从 10.90 亿美元增长到 62.97 亿美元，保持年均 34%的复合增速。其中，车规级市 场是碳化硅最主要的应用场景，市场空间有望从 2021 年 6.85 亿美元增长至 2027 年 49.86 亿美元，CAGR 为 39.2%，超过了整个 SiC 功率器件市场增速；车规级 SiC 器件占整个 SiC 器件市场的比例有望从 2021 年 62.84%提升至 2027 年 79.18%。车 规级应用占据近 80% SiC 市场规模，是因为相对于工业级市场和消费级市场，车规级市场对于 SiC 器件成本更不敏感，通过使用 SiC 器件节省的系统成本（减少电池 成本、被动元器件等）会超过使用 SiC 器件增加的成本。

碳化硅半导体看起来很简单？这只是个错觉！

那么碳化硅的优点这么多，为什么还是无法大规模替代硅功率器件，目前也仅仅是一个小汽车应用场景上使用，接下来我们从技术角度来发现一些问题。

一、碳化硅的产业链

半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件”结构。碳化硅产业链也可分为三个环节：分别是上游衬底，中游外延片和下游器件制造。

碳化硅生产过程主要包括碳化硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件制造、封测等环节。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占30%。碳化硅最难的环节也是衬底片和外延片，因此，成本占到了整个器件成本的约70%。衬底供应商掌握了碳化硅产业链的核心话语权。

二、碳化硅现在面临的缺点和掣肘是什么？

碳化硅技术难点主要集中在长晶、外延、 器件可靠性及验证上。根据 Wolfspeed介绍， 碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要 5 年时间；叠加车规级器件长验证周期，碳化硅市场的进入壁垒相对较高。

1、碳化硅成本很高

要得到碳化硅衬底， 需要先以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料， 采用碳化硅的长晶技术生长出碳化硅晶锭， 再经过切割、研磨、抛光、清洗等工序对晶锭进行加工， 最终得到碳化硅晶片。

（1） 原材料贵：用于长晶的高纯 SiC 粉料制备难

首先碳化硅在自然界是没有的，必须人工合成。必然是成本远远高于可以自然开采的材料，而且碳化硅升华熔点约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，因此用于长晶的高纯 SiC 粉料制备问题卡住了第一步。

（2）SiC 衬底是晶圆成本中占比最大的一项

根据 Si，C 原子的排列顺序不同， SiC 晶体对应结构不同，目前发现的 SiC 大约有 200 多种晶体结构形态，其中，仅有α晶型 4H（ 4H-SiC）可以用来制造功率器件。根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型衬底。 

导电型 SiC 衬底可通过 N 和 Al 作为掺杂剂实现 N 型和 P 型导电性，目前产品以 N 型为主（氮气掺杂），电阻率通常低于 0.02 Ω·cm， 晶体生长关注氮掺杂浓度均匀性及缺陷控制。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅同质外延片，可制成肖特基二极管、 MOSFET 等功率器件，应用于新能源汽车，轨道交通以及大功率输电变电等领域；与导电衬底不同，半绝缘型 SiC 衬底电阻率则需要高于 10^6 Ω·cm（国际水平 10^8 Ω·cm）， 晶体生长关注高纯度高电阻。通过在半绝缘衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN on SiC）外延片，而后可进一步制成HEMT等微波射频器件，应用于信息通讯、无线电探测等领域。

碳化硅的长晶技术大致有三种，PVT物理气相传输法，HT-CVD高温气相沉积法，以及LPE溶液法。其中PVT比较主流，优点是简单，可靠，成本可控。CVD对设备要求太高，价格很贵，只有高质量的半绝缘衬底会用这个方法；LPE溶液法能做天然P型衬底，但是缺陷很难控制，还需要时间积累，日本公司不少专注于这个路线。对于PVT法，由于生长过程中高温段无法监测，如何通过控制炉子的温度场、气流、生长面间距等工艺参数得到特定的 4H-SiC 晶型是最大难点。

而且，碳化硅晶体气相生长环境要求温度在 2000℃ -2500℃，压力为 350Mpa，生长条件非常苛刻，而传统硅片制备仅需 1600℃左右的温度要 求。并且高温环境对设备和工艺的控制带来极高要求，在生产中需要精确调控生长温度和压力。

另外，SiC 长晶环节制造成本高且工艺难度大，其晶体生长效率极其缓慢，生长速度仅为 0.2-0.3mm/h；且在生长过程中升温降温速度缓慢，因此，一个炉子一周仅能长 2cm 厚的碳化硅晶棒。单晶生长炉作为 SiC 单晶生长的核心设备，通常需要厂商基于生长经验的积累在发展材料的过程中不断进行改造、调试和优化；此外，由于碳化硅硬度与金刚石接近，切割难度大，过程中易碎，切割良率低，而且切割过程需保证稳定获得低翘曲度的晶片，还需在研磨和抛光工艺中控制晶片的平整度。 

也就是说，由于缺乏高效长晶技术以及SiC衬底加工环节复杂、耗时，所以衬底片成本过于高昂，其在整个 SiC 晶圆中所占成本比例最高。另外碳化硅衬底尺寸越大、良率越高，其单位成本就越低。但晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大。

当前国内SiC衬底的主流尺寸为4或6英寸，而Wolfspeed早已实现8英寸衬底的量产。扩径有着极高的技术壁垒，不同尺寸的SiC衬底之间有大约5年的差距，鉴于国内大多数厂商连6英寸都没有搞明白，良率也普遍较差，因此国内外的技术差距大约在7年以上。另外，碳化硅6英寸衬底高达1000美金，而6英寸硅片为23美金（150元），两者实在差太多了。

（3）碳化硅外延工艺对器件性能至关重要：三大难点

碳化硅外延工艺是提高碳化硅器件性能及可靠性的关键。碳化硅外延是指在衬底的上表面生长一层与衬底同质的单晶材料 4H-SiC。目前标准化工艺是使用 4°斜切的 4H-SiC 单晶衬底，采用台阶控制生长技术， 通过 CVD 进行沉积。外延层可减小晶体生长和加工中引入的缺陷带来的影响，使碳化硅表面晶格排列整齐，形貌较衬底大幅优化。在此基础上制造的功率器件， 器件性能和可靠性将显著提升。因此， 生长出合适厚度、 高晶体质量和均匀掺杂浓度的外延层至为关键。

与硅功率器件工艺不同，其器件加工过程需采用高温离子注入、高温氧化以及高温退火等高温工艺。由于碳化硅功率器件必须在单晶衬底上的高质量外延层制造，且外延参数因器件应用场景而各不相同。 外延层工艺挑战较大，主要表现在3个方面：（1）应用于高压的外延层难度大。低压 600V，需要外延的厚度约为 6μm 左右；中压1200-1700V，厚度为 10-15μm；高压 10kV 以上，需要 100μm 以上；随着外延厚度增加，材料的缺陷控制难度加大。（2）碳化硅缺陷种类多， 控制难度大。在碳化硅中，外延缺陷将影响器件的可靠性。致命性缺陷会对所有类型器件击穿电压造成巨大影响，最终使得器件良率提升难度大。（3）掺杂浓度控制难度大。掺杂浓度决定了器件的电子传输性能，在高压领域，由于外延层增厚掺杂浓度均匀性难控制。

三、碳化硅器件壁垒：主要来源于加工工艺及器件应用方面

（ 1） 光刻对准难：相较于传统硅片，双面抛光的碳化硅晶圆是透明的， 稳定的光刻对准工艺是一个难点。
（ 2） 离子注入和退火激活工艺：制备器件时掺杂需要高能离子注入；退火温度高达1600℃，在此温度下要达到高的离子激活率和相对准确的 P区形状难度大。
（ 3） 栅氧可靠性：在热氧化工艺中多余的碳原子析出形成表面态， 影响MOSFET 栅氧质量。
（ 4） 功率模块难度大：高温、高功率密度封装的工艺及材料难度大。
（ 5） 工艺设备：基本上被国外公司所垄断，高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等基本需要进口。
（ 6） 车规级半导体要求高：①环境要求， 汽车行驶的外部温差较大，要求芯片可承受温度区间为-40℃~150℃， 同时需抗湿度、抗腐蚀。②可靠性要求， 整车设计寿命通常在 15 年及以上， 车规级半导体需做到零失效。③供货周期要求，需要覆盖整车的全生命周期，供应链可追溯。
（ 7） 客户验证：车规级器件认证周期和供货周期长，通常要求其产品拥有一定规模的上车数据，国产厂商缺乏应用及试验平台，在车规级半导体正常供给的状态下较难寻得突破。

 碳化硅发展趋势：衬底大尺寸化， 切割高效化、器件模块化 

大尺寸化是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。为提高生产效率并降低成本，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，边缘的浪费越小， 单位芯片成本越低。碳化硅晶圆从 6 英寸到 8 英寸，芯片数量由 488 增至 845 个（ 单位面积：32mm2），边缘浪费由 14%减至 7%。目前，碳化硅衬底主流尺寸为 4-6英寸， 8 英寸衬底仅有 Wolfspeed、 II-VI 公司和意法半导体 ST 等少数几家研制成功，其中， Wolfspeed 是首家掌握 8 英寸量产技术并建设对应晶圆厂的公司。衬底切割良率提高是降低成本的重要课题。目前常用的线切割工艺通常会损耗75%的原材料，英飞凌使用的一种冷切割技术可使得原材料损耗减至 50%。该工艺源于英飞凌收购的公司 Siltectra。这种冷切割（ Cold Split）技术可高效处理晶体材料，最大限度减少材料损耗， 使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而有效降低 SiC 成本。

另外，碳化硅器件模块化是高可靠性应用的选择。碳化硅模块可以简化电路布局及组装，同时避免了电路中元件的相互干扰， 在高压应用中使得其可靠性增加，还可最大限度地减少人工和系统组件的成本，是功率密度最大化的最优选择。

所以说，碳化硅芯片并不简单，这只是碳化硅板块热度大涨造成的一个误区！

行业活动推荐 

2022年11月16-18日，由DT新材料主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅半导体论坛将在深圳国际会展中心（高交会宝安会场）拉开帷幕。

论坛聚焦碳化硅衬底、外延、功率器件制造及相关应用等领域的技术难点与前沿发展趋势，旨在突破碳化硅半导体产业技术瓶颈，吸收顶尖研究机构与企业的行业远见，整合对接碳化硅半导体产业链资源，推进突破性的实验室研究成果转化，让科研赋能产业、产业反哺科研，共同推动碳化硅半导体行业的高质量发展！

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