碳化硅外延技術(shù)突破或改變產(chǎn)業(yè)格局

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2022-03-17 08:02:46 0

我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)或迎來(lái)史詩(shī)級(jí)利好

進(jìn)入2021年以來(lái)，在碳化硅外延領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛捷報(bào)連連。
2021年3月1日，日本豐田通商株式會(huì)社正式宣布成功開(kāi)發(fā)出一種表面納米控制技術(shù)——Dynamic AGE-ing。該技術(shù)可以讓任何尺寸、任意供應(yīng)商的SiC襯底的BPD（基平面位錯(cuò)）降低到1以下。
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圖1 豐田Dynamic AGE-ing技術(shù)
無(wú)獨(dú)有偶，2021年3月3日，瀚天天成電子科技(廈門(mén))有限公司發(fā)布消息稱(chēng)，突破了碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝。
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圖2 碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝
碳化硅外延是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。如今碳化硅外延技術(shù)的發(fā)展步入快車(chē)道，會(huì)對(duì)整個(gè)碳化硅外延生態(tài)圈產(chǎn)生什么影響呢？請(qǐng)容我一一道來(lái)。

或?qū)⒏淖儑?guó)際碳化硅外延產(chǎn)業(yè)格局

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為晶片制備、外延生長(zhǎng)、器件制造、模塊封測(cè)和系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中外延生長(zhǎng)是承上啟下的重要環(huán)節(jié)，具有非常關(guān)鍵的作用。
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圖3 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈 因?yàn)楝F(xiàn)有器件基本都是在外延層上實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)外延層質(zhì)量的要求就非常之高。而且隨著耐壓性能的不斷提高，所要求的外延層的厚度就越厚。一般電壓在600V左右時(shí)，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時(shí)，所需要的外延層厚度就達(dá)到10-15微米。如果電壓達(dá)到一萬(wàn)伏以上時(shí)，可能就需要100微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對(duì)厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發(fā)困難。
目前，碳化硅外延的主流技術(shù)包括斜切臺(tái)階流技術(shù)和TCS技術(shù)等等。
所謂斜切臺(tái)階流技術(shù)即切割碳化硅襯底時(shí)切出一個(gè)8°左右的偏角。這樣切出的襯底表面出產(chǎn)生很高的臺(tái)階流密度，從而容易實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)碳化硅外延。目前，斜切臺(tái)階流技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是該技術(shù)也有兩個(gè)缺陷：一是該技術(shù)無(wú)法阻斷基平面位錯(cuò)；二是該技術(shù)會(huì)對(duì)襯底材料造成浪費(fèi)。
為了突破臺(tái)階流技術(shù)的限制，人們又嘗試在反應(yīng)腔中加入含氯元素的硅源，最終通過(guò)不斷地完善開(kāi)發(fā)出TCS等技術(shù)。目前，碳化硅外延技術(shù)已與碳化硅外延設(shè)備高度融合。2014年，TCS等技術(shù)由意大利LPE公司最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在2017年AIXTRON公司對(duì)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，將這個(gè)技術(shù)移植到了商業(yè)的設(shè)備中。
目前，碳化硅外延設(shè)備主要由意大利的LPE公司、德國(guó)AIXTRON公司以及日本Nuflare公司所壟斷。
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圖4 全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局

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圖5 現(xiàn)有碳化硅外延設(shè)備分析

預(yù)計(jì)到2023年碳化硅外延設(shè)備的年復(fù)合增長(zhǎng)率有望超過(guò)50%。
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圖6 碳化硅外延設(shè)備市場(chǎng)前景
隨著新興碳化硅外延技術(shù)的崛起，這個(gè)幾十億規(guī)模的產(chǎn)業(yè)或?qū)⒂瓉?lái)新一輪的洗牌。

或?qū)⒋呤煳覈?guó)碳化硅襯底材料產(chǎn)業(yè)

碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，按照用途不同，可以分成珠寶級(jí)碳化硅材料、電力電子器件用N型碳化硅材料和功率射頻器件用半絕緣碳化硅材料。雖然，近年來(lái)珠寶級(jí)碳化硅材料和半絕緣碳化硅材料的市場(chǎng)增長(zhǎng)迅猛，但是N型碳化硅材料才是未來(lái)市場(chǎng)*的主角。
相對(duì)于珠寶級(jí)碳化硅和半絕緣碳化硅材料，N型碳化硅材料對(duì)晶體質(zhì)量的要求更高。在該領(lǐng)域，我國(guó)碳化硅襯底企業(yè)與CREE公司國(guó)際*企業(yè)還存在一定的差距。
如果諸如豐田研發(fā)的Dynamic AGE-ing等技術(shù)可以大規(guī)模在我國(guó)應(yīng)用，那么N型碳化硅襯底材料的入場(chǎng)門(mén)檻無(wú)疑將會(huì)大幅度降低。據(jù)中國(guó)電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體材料分會(huì)統(tǒng)計(jì)，我們已經(jīng)上馬了30多個(gè)碳化硅襯底材料項(xiàng)目，投資已超300億元。但是因?yàn)槿毕莸燃夹g(shù)原因，N型碳化硅襯底的產(chǎn)能遲遲不能釋放。如果碳化硅外延技術(shù)獲得關(guān)鍵突破，對(duì)我國(guó)碳化硅襯底材料企業(yè)而言，這無(wú)異于開(kāi)閘放水。

或?qū)⑼苿?dòng)我國(guó)碳化硅器件產(chǎn)業(yè)

雖然我國(guó)投資的碳化硅襯底項(xiàng)目已經(jīng)有30多個(gè)，但是市場(chǎng)需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。碳化硅襯底和外延的成本目前占到碳化硅模塊總成本的50%以上，如果該問(wèn)題不得到解決，我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)相比于美國(guó)很難有什么太大的競(jìng)爭(zhēng)力。
市場(chǎng)研究單位Yole指出，碳化硅電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展具高度潛力，包括ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、Infineon Technologies、Littelfuse、Ascatron等廠商都大力投入。Yole預(yù)測(cè)到2023年SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)14億美元，2016年至2023年間的復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)為28%，2020~2022年CAGR將進(jìn)一步提升至40%。

總而言之，未來(lái)前景廣闊，但是國(guó)內(nèi)各位碳化硅業(yè)界同仁還應(yīng)勉勵(lì)向前。

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