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深度解读第三代半导体—碳化硅
2024-06-04 10:46:35

耐高温。碳化硅的禁带宽度是硅的2-3倍,在高温下电子不易发生跃迁,可耐受更高的工作温度,且碳化硅的热导率是硅的4-5倍,使得器件散热更容易,极限工作温度更高。耐高温特性可以显著提升功率密度,同时降低对散热系统的要求,使终端更加轻量和小型化。 耐高压。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍,能够耐受更高的电压,更适用于高电压器件。 耐高频。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率,导致其器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,能有效提高器件的开关频率,实现器件小型化。 低能量损耗。碳化硅相较于硅材料具有极低的导通电阻,导通损耗低;同时,碳化硅的高禁带宽度大幅减少泄漏电流,功率损耗降低;此外,碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低。


原料合成:将高纯的硅粉+碳粉按配方混合,在2000°C以上的高温条件下于反应腔室内进行反应,合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再通过破碎、筛分、清洗等工序,得到满足要求的高纯碳化硅粉原料。 晶体生长:为碳化硅衬底制造最核心工艺环节,决定了碳化硅衬底的电学性质。目前晶体生长的主要方法有物理气相传输法(PVT)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)和液相外延(LPE)三种方法。其中PVT法是现阶段商业化生长SiC衬底的主流方法,技术成熟度最高、工程化应用最广。

温场控制困难:Si 晶棒生长只需 1500℃,而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高温下进行生长,并且 SiC 同质异构体有 250 多种,但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 单晶结构,如果不做精确控制,将会得到其他晶体结构。此外,坩埚内的温度梯度决定了 SiC 升华传输的速率、以及气态原子在晶体界面上排列生长方式,进而影响晶体生长速度和结晶质量,因此需要形成系统性的温场控制技术。与 Si 材料相比,SiC 生产的差别还在如高温离子注入、高温氧化、高温激活等高温工艺上,以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。 晶体生长缓慢:Si 晶棒生长速度可达 30~150mm/h,生产 1-3m 的硅晶棒仅需约 1 天的时间;而 SiC 晶棒以 PVT 法为例,生长速度约为 0.2-0.4mm/h,7 天才能生长不到 3-6cm,长晶速度不到硅材料的百分之一,产能极为受限。 良品参数要求高、良率低:SiC 衬底的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等,在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长,同时控制参数指标,是复杂的系统工程。 材料硬度大、脆性高,切割耗时长、磨损高:SiC 莫氏硬度达 9.25 仅次于金刚石,这导致其切割、研磨、抛光的加工难度显著增加,将一个 3cm 厚的晶锭切割 35-40 片大致需要花费 120 小时。另外,由于 SiC 脆性高,晶片加工磨损也会更多,产出比只有 60%左右。 发展趋势:尺寸增加+价格下降 全球SiC市场6英寸量产线正走向成熟,领先公司已进军8英寸市场。国内正在开发项目以6英寸为主。目前虽然国内大部分公司还是以4寸产线为主,但是产业逐步向6英寸扩展,随着6英寸配套设备技术成熟后,国产SiC衬底技术也在逐步提升大尺寸产线的规模经济将会体现,目前国内6英寸的量产时间差距缩小至7年。更大的晶圆尺寸可以带来单片芯片数量的提升、提高产出率,以及降低边缘芯片的比例,研发和良率损失部分成本也将保持在7%左右,从而提升晶圆利用率。


SiC MOS仍存众多难点,SiC MOS仍与海外厂商存在差距,相关制造平台仍在搭建中。目前ST、英飞凌、Rohm等600-1700V SiC MOS已实现量产并和多制造业达成签单出货,而国内目前SiC MOS设计已基本完成,多家设计厂商正与晶圆厂流片阶段,后期客户验证仍需部分时间,因此距离大规模商业化仍有较长时间。
目前平面型结构为主流选择,未来沟槽型在高压领域应用广泛。平面结构SiC MOS厂商众多,平面结构相比沟槽不容易产生局部击穿问题,影响工作稳定性,在1200V以下市场具备广泛应用价值,并且平面结构在制造端相对简单,满足可制造性和成本可控两方面。沟槽型器件寄生电感极低,开关速度快,损耗低,器件性能相对高效。
产业链中游2:器件制造技术尚需积
SiC器件制造的工艺环节与硅基器件基本类似,包括涂胶、显影、光刻、减薄、退火、掺杂、刻蚀、氧化、清洗等前道工艺。但由于碳化硅材料特性的不同,厂商在晶圆制造过程中需要特定的设备以及开发特定的工艺,无法与过去的硅制程设备、工艺完全通用,因此当前SiC晶圆制造产能紧缺。SiC晶圆制造特定工艺与Si工艺的一些差异点主要在于:
光刻对准。由于SiC晶圆是透明的,因此CD-SEM和计量测量变得复杂,光刻对准、设备传送取片等难度较大。
蚀刻工艺。由于SiC在化学溶剂中呈现惰性,因此同光使用干法蚀刻。则掩膜材料、掩膜蚀刻的选择、混合气体、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等都需要重新开发。
高温大剂量高能离子注入工艺。由于SiC器件的特性,SiC扩散温度远高于硅,传统的热扩散在碳化硅中并不实用,掺杂时只能采用高温离子注入的方式。
超高温退火工艺。高温离子注入会破坏材料本身的晶格结构,因此需要在惰性气体中高温退火来恢复结构,通常退火温度高达1600-1700度,使SiC表面再结晶并电激活掺杂剂。
高质量栅极氧化层生长。较差的SiC/氧化硅界面质量会降低MOSFET反转层的迁移率,导致阈值电压不稳定,因此需要开发钝化技术,以提高SiC/氧化硅界面质量。
SiC晶圆制造特定工艺带来特定设备的需求,主要包括高温离子注入机、高温退火炉、SiC减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC衬底和外延片表面缺陷检测和计量。其中,是否具备高温离子注入机是衡量碳化硅产线的重要标准之一。
产业链中游3:最佳碳化硅器件封装材料—AMB衬板
陶瓷基板按照工艺主要分为DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板,国内常用陶瓷基板材料主要为氧化铝、氮化铝和氮化硅,其中氧化铝陶瓷基板最常用,主要采用DBC工艺;氮化铝陶瓷基板导热率较高,主要采用DBC和AMB工艺;氮化硅可靠性较为优秀,主要采用AMB工艺。AMB工艺生产的陶瓷衬板主要运用在功率半导体模块上作为硅基、碳化基功率芯片的基底。
DBC衬板应用场景受限,AMB衬板性能优势明显。由于AMB氮化硅基板有较高热导率(>90W/mK),可将非常厚的铜金属(厚度可达0.8mm)焊接到相对薄的氮化硅陶瓷上,载流能力较高;且氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近,使其能够与SiC晶体材料匹配更稳定,因此成为SiC半导体导热基板材料首选,特别在800V以上高端新能源汽车中应用中不可或缺。另外,目前以硅基材料为主的IGBT模块在具有高导热性、高可靠性、高功率等要求的轨道交通、工业级、车规级领域正逐渐采用AMB陶瓷衬板替代原有的DBC陶瓷衬板。
中国AMB陶瓷基板主要依赖进口,国内厂商加速扩产,国产替代进行时。受益于SiC功率模块新机遇,部分国际企业已在计划对AMB进行扩产,开始生产氮化硅陶瓷基板。与此同时,国产AMB基板厂商有望随着扩产加速国产替代,实现快速成长。
产业链下游:应用场景丰富,多领域需求驱动
按照电学性能的不同,碳化硅材料制成的器件分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅射频器件,两种类型碳化硅器件的终端应用领域不同。导电型碳化硅功率器件是通过在低电阻率的导电型衬底上生长碳化硅外延层后进一步加工制成,包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等,主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充电等。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在高电阻率的半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层后进一步加工制成,包括HEMT等氮化镓射频器件,主要用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。
增长点1:汽车为碳化硅器件的最大终端应用市场
未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业等领域渗透率不断提升,碳化硅器件市场规模有望持续提升。根据Yole的预测,2027年全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望达62.97亿美元,2021-2027年CAGR达34%;其中汽车市场导电型碳化硅功率器件规模有望达49.86亿美元,占比达79.2%,是导电型碳化硅功率器件第一大应用市场。
碳化硅在汽车领域主要用于:主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和非车载充电桩。根据全球碳化硅领域龙头厂商Wolfspeed公司的预测,到2026年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量约为83%,是电动汽车中价值量最大的部分。其次为OBC,价值量占比约为15%;DC-DC转换器中SiC价值量占比在2%左右。
导电型碳化硅功率器件目前主要应用于逆变器中。逆变器是一种将直流信号转化为高压交流电的装置,在传统硅基IGBT逆变器中,其基本原理为利用方波电源控制IGBT的开关,使得原来的直流电路输出方波高电压,经过整形模块的整形后形成正弦电压,即交流电。由于输出电压和输出频率可以任意控制,所以逆变器被广泛用于控制交流电机和无刷电机的转速,是新能源发电、不间断电源、电动汽车、轨道交通、白色家电、电力配送等领域不可或缺的功率转换装置。碳化硅MOSFET在电动汽车主驱逆变器中相比Si-IGBT优势明显,虽然当前SiC器件单车价格高于Si-IGBT,但SiC器件的优势可降低整车系统成本:
(1)由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率转换效率更高,根据Wolfspeed数据,采用碳化硅MOSFET的电动汽车续航距离相比硅基IGBT可延长5-10%,即在同样续航里程的情况下可削减电池容量,降低电池成本。
(3)碳化硅MOSFET可承受更高电压,在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度,从而使得束线轻量化,节省安装空间。


增长点2:SiC 赋能光伏发电,市场规模持续增长
政策驱动光伏国产化进程加速,新增装机量持续提升。光伏逆变器是可以将光伏(PV)太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电(AC)的逆变器,可以反馈回商用输电系统,或是供离网的电网使用。根据中国光伏行业协会(CPIA)数据,2021 年全球光伏新增装机规模有望达到 170GW,创历史新高,各国光伏新增装机数据亮眼,其中中国新增装机规模 54.88GW,同比增长13.9%。未来在光伏发电成本持续下降和全球绿色复苏等有利因素的推动下,全球光伏市场将快速增长,预计“十四五”期间,全球光伏年均新增装机超过 220GW,我国光伏年均新增装机或将超过 75GW。
使用Si基器件的传统逆变器会带来较大的系统能量损耗,而碳化硅的宽带隙、高热导率、高击穿电压和低导通电阻使其能在更高的电压及频率下切换,散热能力更佳,拥有更好的开关效率和热量累计。使用碳化硅功率器件的光伏逆变器可将系统转换效率从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而缩小系统体积、增加功率密度、延长使用寿命。SiC 还可以通过降低无源元件的故障率、减少散热器尺寸、减少占地面积和节省安装成本等方式间接节约成本。
预计 SiC 在光伏逆变器中渗透率逐步提高。根据观研天下数据显示,2020 年,SiC 光伏逆变器占比为 10%,预计 2025 年 SiC 光伏逆变器占比将达到 50%,2048 年达到 85%。目前从应用端来看,受成本影响,SiC 在光伏逆变器上应用有限,预期未来器件成本下降后,SiC 光伏逆变器应用潜力将会大幅增加。CPIA 预测到2025 年,乐观情景下全球光伏新增装机量有望超 330GW。受益于光伏装机量上升,逆变器市场需求将大幅增长,我们测算 2025 年全球 SiC 光伏逆变器新增市场有望增长至 108.90亿元。
增长点3:应用场景多点开花,渗透率逐步提升
射频/5G:半绝缘型碳化硅器件广泛应用于射频器件领域,受5G驱动增长良好。射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件,如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。目前主流的射频器件材料有砷化镓、硅基LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,应用于5G通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天等领域。据Yole Development预测,2025年全球射频器件市场将超过250亿美元,功率在3W以上的射频器件市场中,氮化镓射频器件有望替代大部分硅基LDMOS份额,占据射频器件市场约50%的份额。 在应用方面,5G通信推动着碳化硅成为射频器件的主流材料。5G通讯高频、高速、高功率的特点对微波射频器件提出了更高要求,对目前采用的砷化镓和硅基LDMOS器件提出了挑战。不同于砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷,如高频段性能差、功率效率较差等。由于半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件在高频段表现良好、能抗高温高压,具有高功率处理能力,已逐步成为5G时代较大基站功率放大器的候选技术。 智能电网:目前电网使用的硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限,无法担负起支撑大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。SiC在智能电网的主要应用场景包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。碳化硅在电压等级、导通电阻和开关速度方面的优势能很好的适配电力系统对电压、功率和可靠性的更高要求,可以直接替换硅器件,提升电能转换效率和功率密度,同时还能简化拓扑结构、实现新的并网功能如增加电网稳定性,提供有源滤波功能等。
轨道交通:在轨道交通领域,牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等环节均可用到SiC功率器件,其中牵引变流器是核心器件,采用SiC功率器件替代后,在高温、高频和低损耗方面得到显著改善,有效减小整体器件的体积和重量,符合大容量、轻量化和节能型的需求。目前 SiC 器件已在城市轨道交通系统中得以应用,苏州轨交3号线0312号列车是国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目,实现了牵引节能20%的目标。
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