目前所有的碳化硅器件基本上都是在外延上實(shí)現(xiàn)的，外延環(huán)節(jié)是產(chǎn)業(yè)鏈的中間環(huán)節(jié)，首先，器件的設(shè)計(jì)對(duì)外延的質(zhì)量性能要求高影響非常大，同時(shí)外延的質(zhì)量也受到晶體和襯底加工的影響，所以SIC外延環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。
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(shí)際應(yīng)用中對(duì)外延層質(zhì)量的要求非常高。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，成本也會(huì)相應(yīng)調(diào)整！
目前，全球市場看，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(gè)純粹的做碳化硅外延的，因?yàn)樗谇皫啄暌彩召徚巳毡镜男氯砧F，開始涉及到了碳化硅單晶的制備。
我國SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計(jì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級(jí)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(jí)器件和研制雙極型器件的需求。
與Si 材料相比，SiC 晶圓生長速率滿、晶錠長度短、晶圓大小受晶種限制，且硬度高，不易切切割、研磨、拋光，進(jìn)而影響 SiC 器件質(zhì)量及穩(wěn)定性，故目前襯底和外延市場格局集中、價(jià)格高企。
雖然我國投資的碳化硅襯底項(xiàng)目已經(jīng)有30多個(gè)，但是市場需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然嚴(yán)重依賴進(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，如果該問題不得到解決，我國碳化硅產(chǎn)業(yè)相比于美國很難有什么太大的競爭力。
國內(nèi)外SIC產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)比
這里我們要先清楚外延片的成本結(jié)構(gòu)，其中原材料成本占比是52%，設(shè)備折舊成本是15%，剩下的潔凈室，勞動(dòng)力和研發(fā)成本的占比分別是12%、14%和7%。所以一般來說，SiC產(chǎn)品的成本下降主要依賴于襯底，其中尺寸增加、可用厚度增加和缺陷密度下降都成為主要的降本手段。
SiC 外延片成本結(jié)構(gòu)
伴隨大直徑襯底占比不斷提高，襯底單位面積生長成本下降。單晶可用厚度在不斷增加。以直徑 100mm 單晶為例，2015 年前大部分單晶廠商制備單晶平均可用厚度在 15mm 左右，2017 年底已經(jīng)達(dá)到 20mm 左右。伴隨襯底結(jié)晶缺陷密度下降的同時(shí)，工藝復(fù)雜程度增加。在大部分襯底提供商完成低缺陷密度單晶生長工藝及厚單晶生長工藝研發(fā)后，襯底單位面積價(jià)格會(huì)迎來相對(duì)快速的降低。
SIC襯底價(jià)格預(yù)測（元/cm2）
基于SiC襯底，外延環(huán)節(jié)普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。單位成本也會(huì)相應(yīng)降低！
SiC 外延片價(jià)格（元/cm2）
我們判斷，2022 年有望成為 SiC 價(jià)格下降的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)橹髁髌放菩履茉窜嚻箝_始量產(chǎn)采用 SiC 方案的車型，如果僅考慮逆變器的使用，新能源車將消耗絕大部分 SiC 襯底產(chǎn)能，如果再把車載 OBC、充電樁、DC/DC 的 SiC 使用滲透考慮進(jìn)去，需求量將更大。
從產(chǎn)能角度來看，以特斯拉 Model3 為例估算，根據(jù)拆解圖，主逆變器中有 24 個(gè) SiC 模塊，每個(gè)模塊 2 個(gè) SiC MOSFET，共需要 48 顆芯片。一個(gè) 6 寸片面積約為 8.8 輛車所消耗的 SiC MOSFET 芯片面積，假設(shè)10%邊緣損耗和 60%良率，則單個(gè) 6 寸片足夠供應(yīng)約 4.7 輛車。Model 3/Y 2019 年交貨量 30 萬輛，消耗 6.4 萬片 SiC，約占當(dāng)年全球產(chǎn)能 24%。SiC 產(chǎn)業(yè)鏈在快速擴(kuò)產(chǎn)，預(yù)計(jì) 2025 年產(chǎn)能為 2019 年的 10 倍。
新能源汽車用 SiC 功率器件產(chǎn)能測算
這將大幅提升襯底和外延企業(yè)的產(chǎn)能利用率，到2025 年 SiC 器件價(jià)格有望下降到當(dāng)前水平的 1/4-1/3，結(jié)合電池成本的節(jié)省，SiC 的經(jīng)濟(jì)性和性能優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。
隨著碳化硅器件的耐壓性能不斷提高，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)到一萬伏以上時(shí)，可能就需要100微米以上的外延層厚度。
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。
當(dāng)下碳化硅外延技術(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(duì)較優(yōu)的水平。碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)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(gè)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(gè)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。
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。高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后，如上是2萬伏的器件上的200μm的一個(gè)碳化硅外延材料，它的均勻性、厚度和濃度相對(duì)于上述介紹的低壓差很多，尤其是摻雜濃度的均勻性。
同時(shí)，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(shí)它的少子壽命目前也比較低。
2021年3月1日，日本豐田通商株式會(huì)社正式宣布成功開發(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。
2021年3月3日，國內(nèi)SIC外延代表型企業(yè)瀚天天成發(fā)布消息稱，突破了碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝。
碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝
碳化硅外延片生產(chǎn)的國外核心企業(yè)，主要以美國的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的羅姆、昭和電工、三菱電機(jī)、德國的Infineon 等為主。其中，美國公司就占據(jù)全球70-80%的份額。技術(shù)上也在向6英寸為主的方向過渡。
國外主要的外延片企業(yè)代表企業(yè)昭和電工，目前產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于豐田集團(tuán)旗下主要生產(chǎn)汽車空調(diào)、點(diǎn)火、燃油噴射等系統(tǒng)的DENSO（電裝）公司用于燃料電池電動(dòng)車的下一代增壓動(dòng)力模塊制造。
近期英飛凌科技公司與昭和電工簽訂了一份包括外延在內(nèi)的多種SiC材料（SiC）的供應(yīng)合同，
以
滿足英飛凌目前SiC基產(chǎn)品不斷增長的需求
。
國內(nèi)碳化硅外延片的生產(chǎn)商，主要瀚天天成、東莞天域、國民技術(shù)子公司國民天成、世紀(jì)金光，以及國字號(hào)的中電科13所和55所。以及
實(shí)現(xiàn)
SiC
從材料到封裝一體化的半導(dǎo)體公司三安集成等。
目前國內(nèi)外延片也是以提供4英寸的產(chǎn)品為主，并開始提供6英寸外延片。
2019 SiC外延片折算6英寸產(chǎn)能約為20萬片/年。
三安集成是全球少數(shù)實(shí)現(xiàn) SiC 從材料到封裝一體化的半導(dǎo)體公司。目前，三安集成是繼科銳、羅姆后，全球少數(shù)實(shí)現(xiàn) SiC 垂直產(chǎn)業(yè)鏈布局的廠商，在國內(nèi)更是行業(yè)先驅(qū)者。
三安長沙項(xiàng)目
三安集成長沙項(xiàng)目加碼 160 億投資 SiC 等第三代化合物半導(dǎo)體，搶先卡位布局。2020 年 6 月，公司
公告在長沙高新技術(shù)
園區(qū)成立子公司，投資
160
億元于
SiC
等化合物第三代半導(dǎo)體項(xiàng)目，
包括長晶—襯底制作—外延生長—芯片制備—封裝產(chǎn)業(yè)鏈。
長沙投資的具體項(xiàng)目的產(chǎn)品
包括
6
寸
SiC
導(dǎo)電襯底、
4
寸半絕緣襯底、
SiC
二極管外延、
SiC MOSFET
外延、
SIC
二
極管外延芯片、
SiC MOSFET
芯片、
SiC
器件封裝二極管、
SiC
器件封裝
MOSFET
。
該項(xiàng)
目
2020
年
7
月開工，計(jì)劃
2021
年
6
月試產(chǎn)，預(yù)計(jì)
2
年內(nèi)完成一期項(xiàng)目并投產(chǎn)，
4
年內(nèi)
完成二期項(xiàng)目并投產(chǎn)，
6
年內(nèi)達(dá)產(chǎn)。
也有國內(nèi)企業(yè)在外延這一環(huán)節(jié)走的
比較快，能與國外企業(yè)在國際上多個(gè)市場競爭，這其中，最突出的是廈門瀚天天
成。該公司已經(jīng)形成3英寸、4英寸以及6英寸的完整碳化硅半導(dǎo)體外延晶片生產(chǎn)線，并滿足600V、1200V、1700V器件制作的需求。2014年5月29日，瀚天天成首批產(chǎn)業(yè)化的6英寸碳化硅外延晶片在廈門火炬高新區(qū)投產(chǎn)，并交付第一筆商業(yè)訂單產(chǎn)品，成為國內(nèi)首家提供的商業(yè)化6英寸碳化硅外延晶片。
目前，瀚天天成投資13.4億元的二期項(xiàng)目也在快速建設(shè)中，二期項(xiàng)目還將完成高品質(zhì)6英寸碳化硅外延片的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)外延表面致命缺陷密度＜0.5cm-2、外延片內(nèi)摻雜濃度均勻性＜5%、表面大于0.3μm的顆?！?0個(gè)，同時(shí)還將建設(shè)2個(gè)生產(chǎn)服務(wù)設(shè)施用房及3個(gè)通用廠房以及一些土建項(xiàng)目。
剩下國內(nèi)的代表性企業(yè)例如東莞天域公司，則在2012年就實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)超2萬片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的產(chǎn)業(yè)化能力，目前也可提供6英寸碳化硅外延晶片。
國民技術(shù)在2017年8月15日發(fā)布公告，投資監(jiān)理成都國民天成化合物半導(dǎo)體有限公司，建設(shè)和運(yùn)營6英寸第二代和第三代半導(dǎo)體集成電路外延片項(xiàng)目，項(xiàng)目首期投資4.5億元。
目前，在低中壓領(lǐng)域碳化硅外延已經(jīng)相對(duì)比較成熟，未來方向主要就是低成本化。同時(shí)，結(jié)合一些器件結(jié)構(gòu)需要，開發(fā)一些特殊的外延工藝。再一個(gè)就是加快國產(chǎn)化設(shè)備的研發(fā)，國產(chǎn)化設(shè)備的國產(chǎn)化其于成本的控制是非常有利的。在高壓領(lǐng)域我們也希望開展一些產(chǎn)業(yè)化方面的共性的技術(shù)，從應(yīng)用牽頭，政策給予支持，協(xié)同攻關(guān)使高壓領(lǐng)域盡快的走向市場化。還有一部分是最近幾年在體系標(biāo)準(zhǔn)方面的建設(shè)，其實(shí)在產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的推進(jìn)下，碳化硅外延的標(biāo)準(zhǔn)目前來說基本比較健全，下一步需要在行標(biāo)、國標(biāo)以及國際標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)一步做一些工作，促使產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
【免責(zé)聲明】文章為作者獨(dú)立觀點(diǎn)，不代表旺材芯片立場。如因作品內(nèi)容、版權(quán)等存在問題，請(qǐng)于本文刊發(fā)30日內(nèi)聯(lián)系旺材芯片進(jìn)行刪除或洽談版權(quán)使用事宜。
