碳化硅外延技術突破或改變產業格局

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2022-03-17 08:02:46 7

我國碳化硅產業或迎來史詩級利好

進入2021年以來，在碳化硅外延領域，國內外企業紛紛捷報連連。
2021年3月1日，日本豐田通商株式會社正式宣布成功開發出一種表面納米控制技術——Dynamic AGE-ing。該技術可以讓任何尺寸、任意供應商的SiC襯底的BPD（基平面位錯）降低到1以下。
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圖1 豐田Dynamic AGE-ing技術
無獨有偶，2021年3月3日，瀚天天成電子科技(廈門)有限公司發布消息稱，突破了碳化硅超結深槽外延關鍵制造工藝。
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圖2 碳化硅超結深槽外延關鍵制造工藝
碳化硅外延是碳化硅產業鏈中的重要一環。如今碳化硅外延技術的發展步入快車道，會對整個碳化硅外延生態圈產生什么影響呢？請容我一一道來。

或將改變國際碳化硅外延產業格局

碳化硅產業鏈主要分為晶片制備、外延生長、器件制造、模塊封測和系統應用等幾個重要的環節。其中外延生長是承上啟下的重要環節，具有非常關鍵的作用。
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圖3 碳化硅產業鏈 因為現有器件基本都是在外延層上實現的，所以對外延層質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，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時，所需要的外延層厚度就達到10-15微米。如果電壓達到一萬伏以上時，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，對厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發困難。
目前，碳化硅外延的主流技術包括斜切臺階流技術和TCS技術等等。
所謂斜切臺階流技術即切割碳化硅襯底時切出一個8°左右的偏角。這樣切出的襯底表面出產生很高的臺階流密度，從而容易實現晶圓級碳化硅外延。目前，斜切臺階流技術已經比較成熟。但是該技術也有兩個缺陷：一是該技術無法阻斷基平面位錯；二是該技術會對襯底材料造成浪費。
為了突破臺階流技術的限制，人們又嘗試在反應腔中加入含氯元素的硅源，最終通過不斷地完善開發出TCS等技術。目前，碳化硅外延技術已與碳化硅外延設備高度融合。2014年，TCS等技術由意大利LPE公司最早實現商業化，在2017年AIXTRON公司對設備進行了升級改造，將這個技術移植到了商業的設備中。
目前，碳化硅外延設備主要由意大利的LPE公司、德國AIXTRON公司以及日本Nuflare公司所壟斷。
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圖4 全球碳化硅產業格局

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圖5 現有碳化硅外延設備分析

預計到2023年碳化硅外延設備的年復合增長率有望超過50%。
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圖6 碳化硅外延設備市場前景
隨著新興碳化硅外延技術的崛起，這個幾十億規模的產業或將迎來新一輪的洗牌。

或將催熟我國碳化硅襯底材料產業

碳化硅是第三代半導體材料的典型代表，按照用途不同，可以分成珠寶級碳化硅材料、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，近年來珠寶級碳化硅材料和半絕緣碳化硅材料的市場增長迅猛，但是N型碳化硅材料才是未來市場*的主角。
相對于珠寶級碳化硅和半絕緣碳化硅材料，N型碳化硅材料對晶體質量的要求更高。在該領域，我國碳化硅襯底企業與CREE公司國際*企業還存在一定的差距。
如果諸如豐田研發的Dynamic AGE-ing等技術可以大規模在我國應用，那么N型碳化硅襯底材料的入場門檻無疑將會大幅度降低。據中國電子材料行業協會半導體材料分會統計，我們已經上馬了30多個碳化硅襯底材料項目，投資已超300億元。但是因為缺陷等技術原因，N型碳化硅襯底的產能遲遲不能釋放。如果碳化硅外延技術獲得關鍵突破，對我國碳化硅襯底材料企業而言，這無異于開閘放水。

或將推動我國碳化硅器件產業

雖然我國投資的碳化硅襯底項目已經有30多個，但是市場需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然嚴重依賴進口。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，我國碳化硅產業相比于美國很難有什么太大的競爭力。
市場研究單位Yole指出，碳化硅電力電子產業發展具高度潛力，包括ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、Infineon Technologies、Littelfuse、Ascatron等廠商都大力投入。Yole預測到2023年SiC功率半導體市場規模預計將達14億美元，2016年至2023年間的復合成長率(CAGR)為28%，2020~2022年CAGR將進一步提升至40%。

總而言之，未來前景廣闊，但是國內各位碳化硅業界同仁還應勉勵向前。

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