碳化硅晶體的案例
碳化硅功率晶體的設(shè)計(jì)發(fā)展及驅(qū)動(dòng)電壓限制
(a)
(b)
圖8 (a)正極性驅(qū)動(dòng)電壓準(zhǔn)位 (b)負(fù)極性驅(qū)動(dòng)電壓準(zhǔn)位與門極閾值電壓漂移大小關(guān)系
為了避免碳化硅功率晶體的門極閾值電壓在長時(shí)間的使用之下，產(chǎn)生過高的門極閾值電壓漂移，原則上，必須遵照資料手冊的建議值來使用及確認(rèn)功率晶體的門極電壓值。如圖9所示，為了不造成碳化硅功率晶體的門極電壓大幅度漂移，針對其驅(qū)動(dòng)電壓的建議值及最大可以接受的電壓峰值，其中，值得注意的是，門極電壓的測量結(jié)果應(yīng)該盡量排除封裝引腳的影響。
圖9 碳化硅功率晶體的驅(qū)動(dòng)電壓限制值
綜上所述，目前碳化硅功率晶體的發(fā)展主要在于幾個(gè)方向：1.降低單位晶粒面積下的通態(tài)電阻；2.提高功率晶體門極可靠度3.在不影響驅(qū)動(dòng)位準(zhǔn)的大前提下降低驅(qū)動(dòng)電壓位準(zhǔn)。這些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，都由碳化硅功率晶體的設(shè)計(jì)者來構(gòu)思及突破，而主流的碳化硅功率晶體在結(jié)構(gòu)上分為兩大類，平面式及溝槽式的碳化硅功率晶體，平面式的碳化硅功率晶體受限于晶體缺陷及電子遷移速度，大多采用較低的臨界門極電壓，并建議在橋式電路中采用負(fù)電壓截止驅(qū)動(dòng)電路 ，用以減少在橋式電路中功率晶體交互驅(qū)動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的可能的誤導(dǎo)通；反之溝槽式的碳化硅功率晶體，采用具有較高電子遷移速度的晶體平面做為通道，可以設(shè)計(jì)較高的臨界門極電壓，并且不需要任何的負(fù)電壓截止驅(qū)動(dòng)電路。對于碳化硅功率晶體的用戶而言，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對簡單，只需要提高驅(qū)動(dòng)電壓到合適的電壓值，就能夠享受碳化硅功率晶體帶來的優(yōu)點(diǎn)。
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大于15mm
”。
氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
在輕載情況下由于功率開關(guān)的開關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時(shí)，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開關(guān)損耗。同時(shí)由于負(fù)載加大，功率開關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮
化鎵晶體管的。
圖14：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管在PFC級(jí)效率曲線
接下來對用于3KW輸出功率，采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)半橋LLC的電路拓?fù)渲械牡?em>晶體管和碳化硅MOSFET在不同工作頻率下的計(jì)算得到的效率進(jìn)行比較，計(jì)算中忽略掉了頻率上升導(dǎo)致磁性元件
（包括諧振電感，主功率電感）
損耗上升的影響。電路拓?fù)淙鐖D15所示。氮化鎵晶體管選用的型號(hào)為IGOT60R070D1
(25°C下的最大RDS(on)
為
70mohm)
，共8顆。碳化硅MOSFET選用的型號(hào)為IMZA65R048M1H(25°C下的最大RDS
(on)為64mohm)，
共8顆。
圖15：兩相交錯(cuò)并聯(lián)LLC電路示意圖
在50%負(fù)載
（1500W），
常溫工作環(huán)境下，不同工作頻率下的效率對比如圖16所示。
展開 干貨 | 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
圖13：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管和硅MOSFET導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫變化曲線
應(yīng)用對比
首先在圖7所示的電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET對轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了測試，測試條件如表3所示。
表3：PFC電路測試條件
測試中每種功率開關(guān)都測試了兩種導(dǎo)通電阻的器件，對于氮化鎵晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測試結(jié)果如圖14所示。在輕載情況下由于功率開關(guān)的開關(guān)損耗高于導(dǎo)通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當(dāng)負(fù)載逐漸加重時(shí)，導(dǎo)通損耗在總損耗中的占比高于開關(guān)損耗。同時(shí)由于負(fù)載加大，功率開關(guān)的溫升升高，而根據(jù)圖13導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化率可知碳化硅晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關(guān)的效率差異已經(jīng)非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導(dǎo)通電阻是高于氮化鎵晶體管的。
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碳化硅，究竟貴在哪里？
坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時(shí)間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導(dǎo)熱性能強(qiáng)、抗腐蝕性能好、壽命長等特點(diǎn)，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達(dá)到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個(gè)原因。
（二）制備工藝條件要求高
PVT 法指 Physical Vapor Transportation，物理氣相傳輸法，一種常見的碳化硅晶體生長方法，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；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)量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場和溫梯進(jìn)行分布和傳輸，使組分輸運(yùn)至生長腔室既定的結(jié)晶位置；為了避免無序的氣相結(jié)晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設(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飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。以上碳化硅單晶制備的整個(gè)固-氣-固反應(yīng)過程都處于一個(gè)完整且密閉的生長腔室內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)相互耦合，任意生長條件的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單晶生長系統(tǒng)發(fā)生變化，影響碳化硅晶體生長的穩(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)化勢壘極低。因此，在PVT單晶生長系統(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)量問題。故需采用專用檢測設(shè)備檢測晶錠的晶型和各項(xiàng)缺陷。
展開 國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈！
2、碳化硅的拋光加工研究
目前碳化硅的拋光方法主要有：機(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、電化學(xué)拋光（ECMP）、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕（CACP/CARE）、摩擦化學(xué)拋光（TCP，又稱無磨料拋光）和等離子輔助拋光（PAP）等。
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)是目前半導(dǎo)體加工的重要手段，也是目前能將單晶硅表面加工到原子級(jí)光滑最有效的工藝方法，是能在加工過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)局部和全局平坦化的唯一實(shí)用技術(shù)。
CMP的加工效率主要由工件表面的化學(xué)反應(yīng)速率決定。通過研究工藝參數(shù)對SiC材料拋光速率的影響，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)速率和拋光壓力的影響較大；溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應(yīng)盡量提高轉(zhuǎn)速，雖然增加拋光壓力也可提高去除速率，但容易損壞拋光墊。
目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題，且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法，由于要求的條件苛刻、裝置操作復(fù)雜，目前仍處在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)，批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)可能性不大。
人類1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅，現(xiàn)在主要來源于人工合成，碳化硅有許多用途，行業(yè)跨度大，可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、壓電晶體產(chǎn)業(yè)工程性加工材料。
【碳化硅加工工藝流程】
碳化硅晶片是以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相傳輸法（PVT） 生長碳化硅晶體，加工制成碳化硅晶片。
①原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在 2,000℃以上的高溫下反應(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅微粉原料。
②晶體生長。以高純度碳化硅微粉為原料，使用自主研制的晶體生長爐，采用物理氣相傳輸法（PVT 法）生長碳化硅晶體。
展開 大直徑SiC單晶材料的應(yīng)用及前景分析
目前制約著碳化硅晶體品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)主要有：碳化硅粉料質(zhì)量、仔晶的粘結(jié)、溫場的設(shè)計(jì)和保溫材料的選擇，晶體生長工藝。其中每一項(xiàng)指標(biāo)影響著最終碳化硅晶體的成品率和晶體品質(zhì)。碳化硅粉料的制備多采用改進(jìn)高溫自蔓延法，在高溫條件下高純碳和高純硅混合加熱，并清洗除雜后得到高純碳化硅粉，合成工藝的選擇、碳硅粉的顆粒度降決定著最終得到碳化硅粉料的顆粒度、純度。仔晶的粘結(jié)要確保和石墨鍋蓋之間沒有貼合緊密，沒有縫隙，微通道等，否者將會(huì)在晶體生長的過程中影響仔晶表面的溫場分布，影響晶體品質(zhì)。溫場的設(shè)計(jì)要確保溫場分布的均勻性，在加熱的過程中使粉料受熱均勻，揮發(fā)氣氛能夠在坩堝中平穩(wěn)升華，保溫材料的選擇是確保溫場穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，也是用來調(diào)節(jié)晶體生長時(shí)徑向和縱向溫度梯度的必要手段。晶體生長工藝的選擇需和晶體生長爐匹配，由于目前碳化硅晶體生長還未成熟，國際國內(nèi)也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各研究機(jī)構(gòu)通常都是自行設(shè)計(jì)晶體爐，同時(shí)，由于碳化硅晶體長晶的特殊性，晶體生長的過程中各參數(shù)難以實(shí)時(shí)掌控，所以晶體爐長晶需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推測，因此其 工 藝 也 難 有 統(tǒng) 一 標(biāo)準(zhǔn)。
３ 碳化硅材料的發(fā)展前景分析
碳化硅材料的蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊，電源是功率器件市場最大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。電源功率的不斷增大，對于其所用的 ＰＦＣ（功率因數(shù)校正）電路及功率變換器提出了更高要求，如要求其轉(zhuǎn)換效率更高、體積更小、重量更輕等。這些新要求為ＳｉＣ電力電子器件的發(fā)展提供了契機(jī)。
在全球大力提倡利用綠色環(huán)保可再生能源，光伏發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電獲得了迅速發(fā)展。不過，當(dāng)前 Ｓｉ基電力電子器件功率損耗大、效率較低，與之相比，ＳｉＣ 功率器件具有體積小、頻率高、效率高、能耗低、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，不但有益于清潔能源的利用，而且有益于電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。
展開 再增3個(gè)SiC項(xiàng)目，涉及四川、山東、遼寧
最近，四川、山東和遼寧3個(gè)省份又有SiC項(xiàng)目消息，其中：
·四川：將建設(shè)“碳化硅晶體材料產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目”，實(shí)施主體是國宏中宇子公司；
·遼寧：將引進(jìn)團(tuán)隊(duì)，開展“1200V 20A碳化硅肖特基二極管項(xiàng)目”；
·山東：將投資1.2億元，建設(shè)“年產(chǎn)1.5萬噸碳化硅芯片CMP研磨液項(xiàng)目”。
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四川碳化硅晶體項(xiàng)目已開工
6月18日，四川四姑娘山景區(qū)公布了中標(biāo)告示，間接提到了一個(gè)碳化硅長晶項(xiàng)目。
某開發(fā)商在過往業(yè)績中提到，他們承接的四川國宏天晶新材料有限公司“碳化硅晶體材料產(chǎn)業(yè)基地項(xiàng)目”，已于2021年4月30日開工，項(xiàng)目內(nèi)容主要為改造生產(chǎn)廠房一二層，包含長晶區(qū)、潔凈輔助區(qū)、動(dòng)力區(qū)及配電房。
國宏天晶是國宏中宇子公司，成立于2020年1月，位于四川省遂寧高新區(qū)，具體項(xiàng)目信息不詳（歡迎知情人士在文末留言）。
遼寧將開展碳化硅二極管項(xiàng)目
6月17日，遼寧錦州市政府網(wǎng)消息，遼寧省科技廳在北京發(fā)布了26項(xiàng)“揭榜掛帥”技術(shù)需求，其中包括錦州遼晶電子科技有限公司的“1200V 20A碳化硅肖特基二極管項(xiàng)目”。
據(jù)介紹，該項(xiàng)目已經(jīng)吸引了遼寧省外的科研團(tuán)隊(duì)揭榜，將引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)開展碳化硅二極管研發(fā)。接下來，遼寧省省科技廳將根據(jù)供需雙方簽訂的技術(shù)合同，核定項(xiàng)目科研經(jīng)費(fèi)總額，并按照相關(guān)政策給予經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼。
展開 碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
目前報(bào)道的碳化硅切片加工技術(shù)主要包括固結(jié)、游離磨料切片、激光切割、冷分離和電火花切片，不同技術(shù)對應(yīng)的性能指標(biāo)如表 1 所示，其中往復(fù)式金剛石固結(jié)磨料多線切割是最常應(yīng)用于加工碳化硅單晶的方法。
固結(jié)磨料線鋸切片、激光切割、冷分離以及電火花切片等技術(shù)是針對碳化硅材料比較有效的切片方法，原理如圖 1 所示。
固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)是指將金剛石磨料固結(jié)在金屬絲上，隨鋸絲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨粒的鋸切加工，如圖 1( a) 。
鋸切區(qū)域磨粒分布均勻，具有效率高、污染小等優(yōu)勢。
激光切割技術(shù)則是通過激光處理在內(nèi)部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片，該技術(shù)處于研究階段，如圖 1( b) 。
冷分離技術(shù)具有材料利用率高，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，如圖 1( c) 。
激光在晶錠內(nèi)部形成角質(zhì)層點(diǎn)平面，其上表面涂覆特制的分離材料并冷凍，遇冷收縮可分離晶圓薄片。
電火花切片利用脈沖放電對碳化硅單晶進(jìn)行腐蝕切割，精度和生產(chǎn)率高，如圖 1( d) 。
加工后碳化硅晶片表面光滑，但切縫較寬，表面損傷層后續(xù)處理工藝需要進(jìn)一步開發(fā)。
2. 2 切片質(zhì)量的主要影響因素與優(yōu)化措施
表層裂紋損傷與切片質(zhì)量密切相關(guān)。4 H-SiC 切片加工可能產(chǎn)生表層裂紋損傷，主要分為亞表面?zhèn)认蛄鸭y損傷和中位裂紋損傷，如圖 2 所示。該裂紋損傷在增加后續(xù)加工成本的同時(shí)，容易進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致晶片斷裂。鋸切工藝參數(shù)、固結(jié)磨粒尺寸、工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鋸絲速度控制不當(dāng)都可能導(dǎo)致切片出現(xiàn)表層裂紋損傷。在碳化硅襯底材料上進(jìn)行外延生長、器件制造工藝及器件工作性能都與晶體取向相關(guān)。為了避免方向敏感性導(dǎo)致切片加工時(shí)晶片產(chǎn)生脆性裂紋，在碳化硅晶錠切片前，需要進(jìn)行晶體定向檢測。
展開 一文看懂碳化硅晶片加工及難點(diǎn)
3、晶錠加工：將制得的碳化硅晶錠使用X射線單晶定向儀進(jìn)行定向，之后磨平、滾磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體。
4、晶體切割：使用多線切割設(shè)備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm的薄片。
5、晶片研磨：通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
6、晶片拋光：通過機(jī)械拋光和化學(xué)機(jī)械拋光方法得到表面無損傷的碳化硅拋光片。
7、晶片檢測：使用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設(shè)備，檢測碳化硅晶片的微管密度、表面粗糙度、電阻率、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。
8、晶片清洗：以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進(jìn)行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮?dú)夂退Ω蓹C(jī)將晶片吹干、甩干。
02
碳化硅襯底加工難點(diǎn)
碳化硅襯底制備過程主要存在以下難點(diǎn)：
一、對溫度和壓力的控制要求高，其生長溫度在2300℃以上；
二、長晶速度慢，7 天的時(shí)間大約可生長2cm 碳化硅晶棒；
三、晶型要求高、良率低，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才可作為半導(dǎo)體材料；
四、切割磨損高，由于碳化硅的硬度極大，在對其進(jìn)行切割時(shí)加工難度較高且磨損多。昂貴的時(shí)間成本和復(fù)雜的加工工藝使得碳化硅襯底的成本較高，限制了碳化硅的應(yīng)用放量。
此外，晶片尺寸越大，對應(yīng)晶體的生長與加工技術(shù)難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。
展開 熱管理用高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展
圖 8 diamond/SiC 復(fù)合材料界面區(qū)域表征
如圖 9 所示，F(xiàn)eng 等研究了熱處理溫度對化學(xué)氣相滲透制備的二維碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。1900℃熱處理的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是未經(jīng)熱處理的 14 倍，最高達(dá) 138.4 W/(m·K)，顯示熱處理促進(jìn)了碳化硅晶體長大，改善了碳化硅纖維的結(jié)晶度以及纖維與基體之間的界面結(jié)合，從而提高了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
圖9 不同熱處理溫度的 SiC
f/SiC 復(fù)合材料微觀組織及熱導(dǎo)率
高溫?zé)崽幚砜纱龠M(jìn)碳化硅晶體發(fā)育，提高結(jié)晶度，減少晶體缺陷帶來的聲子散射，從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。同時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，復(fù)合材料界面區(qū)域增大，尤其是碳化硅與含無定形碳的界面區(qū)域發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，將增大界面熱阻，降低復(fù)合材料熱導(dǎo)率。
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資訊 | 總投資100億元，合肥這個(gè)碳化硅工廠進(jìn)入設(shè)備安裝調(diào)試階段
5月31日，露笑科技針對互動(dòng)平臺(tái)投資者關(guān)于“合肥碳化硅工廠進(jìn)展”的提問時(shí)表示，公司在第三代半導(dǎo)體碳化硅這個(gè)顛覆性材料的技術(shù)方面取得突破，目前設(shè)備已經(jīng)開始安裝調(diào)試。
2020年8月9日，露笑科技發(fā)布公告稱，將與合肥市長豐縣人民政府在合肥市長豐縣共同投資建設(shè)第三代功率半導(dǎo)體（碳化硅）產(chǎn)業(yè)園，包括但不限于碳化硅等第三代半導(dǎo)體的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，包括碳化硅晶體生長、襯底制作、外延生長等的研發(fā)生產(chǎn)。2020年底，該產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目開工。
據(jù)悉，該項(xiàng)目總投資100億元，占地面積88畝，主要建設(shè)第三代功率半導(dǎo)體（碳化硅）的設(shè)備制造、長晶生產(chǎn)、襯底加工、外延制作等產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)和生產(chǎn)基地。
項(xiàng)目分三期建設(shè)，其中第一期預(yù)計(jì)投資21億元，建成達(dá)產(chǎn)后，可形成年產(chǎn)24萬片導(dǎo)電型碳化硅襯底片和5萬片外延片的生產(chǎn)能力；第二期預(yù)計(jì)投資39億元，建成達(dá)產(chǎn)后，將形成年產(chǎn)10萬片6英寸外延片和年產(chǎn)10萬片8英寸襯底片生產(chǎn)能力；第三期預(yù)計(jì)投資40億元，達(dá)產(chǎn)后將形成年產(chǎn)10萬片8英寸外延片和年產(chǎn)15萬片8英寸襯底片生產(chǎn)能力。
展開 半導(dǎo)體碳化硅（SiC）行業(yè)研究：打開新能源汽車百億市場空間
碳化硅單晶主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學(xué) 氣相沉積(HTCVD)法和液相外延法(LPE)法，目前 PVT 法由于設(shè)備易于制造、長晶過 程更好控制以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)內(nèi)最成熟的工藝。其原理是通過將處于
2000°C以上的 SiC 原料升華分解成氣相物質(zhì)，這些氣相物質(zhì)輸運(yùn)到溫度較低的籽晶 處，結(jié)晶生成 SiC 單晶。業(yè)內(nèi) 90%的企業(yè)都使用 PVT 法。
HTCVD 法的原理是將 Si 源和 C 源氣體在 2100°C左右的高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)生成 SiC，這種長晶法可實(shí)現(xiàn)晶體長時(shí)間持續(xù)生長，但設(shè)備成本高，且生長速度 也很慢。業(yè)內(nèi)使用 HTCVD 法的有 Norstel 和日本電裝。
LPE 法通過在高溫純硅溶液中將碳溶解其中，從過飽和液中析出碳化硅晶體。LPE 適用于制備高質(zhì)量大尺寸碳化硅襯底，但是生長速度極其緩慢，材料要求也 高，應(yīng)用廠家有住友金屬。
PVT 法生長速度慢、厚度低，且良率較低。根據(jù)劉得偉等人在《PVT 法生長 6 英寸 4H-SiC 晶體的工藝研究》文中數(shù)據(jù)，在不同原料區(qū)溫度下，80 小時(shí)生長時(shí)間內(nèi) 晶錠厚度 8-15mm，并且由于粉源石墨化的影響，晶錠長度限制在 50mm 左右。且 碳化硅晶體的生長環(huán)境復(fù)雜、工藝控制難度大，整體良率較低，據(jù)天岳先進(jìn)招股書 中披露，公司晶棒環(huán)節(jié)整體良率在 50%。
2.1.3 切磨拋:SiC 晶錠硬度高、脆性大，加工困難
生長完成的 SiC 晶錠在經(jīng)過初加工定型后，還需要經(jīng)過切磨拋環(huán)節(jié)制成碳化硅 拋光片。受加工技術(shù)的制約，目前高表面質(zhì)量碳化硅晶片的加工效率較低，據(jù)天岳 先進(jìn)招股書中披露，公司襯底環(huán)節(jié)整體良率在 75%。
展開 年產(chǎn)10萬片項(xiàng)目投產(chǎn)，國產(chǎn)SiC進(jìn)入快車道？
首個(gè)生產(chǎn)基地投產(chǎn)
年產(chǎn)能超10萬片
6月26日，山東國宏中能科技發(fā)展有限公司的碳化硅襯底片一期項(xiàng)目投產(chǎn)。
據(jù)介紹，該項(xiàng)目是國宏中宇在全國建成投產(chǎn)的首個(gè)生產(chǎn)基地，項(xiàng)目兩期總投資額約為7億元，總建筑面積4.44萬平方米，項(xiàng)目全部投產(chǎn)后，碳化硅襯底年產(chǎn)能超10萬片。
國宏中宇表示，在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目布局，持續(xù)增加科研投入提升產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量與成品率的同時(shí)，近期該公司在融資工作方面也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，因此，第一個(gè)生產(chǎn)基地的投產(chǎn)為企業(yè)邁上發(fā)展的快車道打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
早在2017年，中科鋼研和國宏中宇就在北京舉行了碳化硅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目啟動(dòng)儀式，提出將在全國布局投資30億元，打造國內(nèi)最大的碳化硅晶體襯底片生產(chǎn)基地。
除了山東、江蘇和安徽等項(xiàng)目外，今年4月7日，國宏中宇與上海寶山達(dá)成“一總部、一研究院、一生產(chǎn)基地”的合作方案，項(xiàng)目擬落地運(yùn)營碳化硅項(xiàng)目。
國產(chǎn)碳化硅增速明顯
攜手共創(chuàng)美好未來
國宏中宇引用有關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)稱，在新能源車、快充樁、5G通信等領(lǐng)域的拉動(dòng)之下，2025年我國碳化硅襯底材料的年需求量將達(dá)到80萬片，2020-2025年復(fù)合增長率為43.8%，遠(yuǎn)高于全球同期復(fù)合增長率（27.2%）。
屆時(shí)，我國碳化硅襯底片出貨量的全球占有率預(yù)計(jì)將從目前的8%上升至16%。
國宏中宇表示，“碳化硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景無限，國宏中宇愿與合作伙伴攜手發(fā)展共同打造碳化硅產(chǎn)業(yè)的美好未來！”
目前，山東國宏中能主要生產(chǎn)4英寸、6英寸4H N型導(dǎo)電碳化硅襯底片和4H半絕緣碳化硅襯底片，將能滿足下游功率與射頻芯片用戶持續(xù)提升的質(zhì)量與性價(jià)比需求。
展開 碳化硅材料技術(shù)對器件可靠性的影響
來源：基本半導(dǎo)體
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價(jià)值鏈中最為關(guān)鍵的四個(gè)環(huán)節(jié)，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導(dǎo)體從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)探究材料特性及缺陷產(chǎn)生的原因，與上下游企業(yè)協(xié)同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達(dá)250余種同質(zhì)異構(gòu)體，用于制作功率半導(dǎo)體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設(shè)計(jì)有著嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，生長過程中控制不精確將會(huì)得到2H、3C、6H和15R等其他結(jié)構(gòu)的碳化硅晶體。
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