中國粉體網(wǎng)訊  近日，住友礦山表示，計(jì)劃量產(chǎn)新一代碳化硅功率半導(dǎo)體晶圓，而且會使用自主研發(fā)的最新技術(shù)將價(jià)格降低10%到20%。住友礦山希望憑借這種新型SiC晶圓搶占美國Wolfspeed（前身為科銳，CREE）等企業(yè)的市場，使全球份額占比達(dá)到10%。

（圖片來源：住友礦山官網(wǎng)）

要知道，Wolfspeed可是SiC襯底的絕對龍頭，手握全球五成SiC晶圓產(chǎn)能，擁有世界最大的SiC晶圓廠，它早早宣布了10億美元的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，在去年上市、改名，將業(yè)務(wù)進(jìn)一步聚焦于SiC等第三代半導(dǎo)體。根據(jù)從事專利分析的日本Patent Result所整理出的數(shù)據(jù)，在與SiC有關(guān)的專利方面，Wolfspeed持有的專利數(shù)量最多，住友電工位列第三（該公司與住友礦山同為住友集團(tuán)的核心企業(yè)）。

除了Wolfspeed外，II-VI、羅姆等也紛紛表態(tài)，要大力開拓SiC晶圓業(yè)務(wù)。群狼環(huán)伺SiC，住友礦山的底氣從何而來？

首先我們來了解一下碳化硅器件這個(gè)“明星級產(chǎn)品”。

SiC功率器件已逐步滲透到生活中的方方面面

以碳和硅組成的化合物半導(dǎo)體碳化硅（Silicon Carbide）為材料制作的功率半導(dǎo)體器件，因其所具備的優(yōu)異性能與先進(jìn)性，多年來一直作為“理想的元器件”而備受矚目。SiC功率元器件現(xiàn)已逐漸成為我們現(xiàn)代日常生活中所普遍使用的“身邊的”元器件。

（圖片來源：基本半導(dǎo)體）

例如，家庭里的SiC有PC電源、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器（家庭用）、空調(diào)等；工業(yè)中的SiC有數(shù)據(jù)中心、UPS、工廠搬運(yùn)機(jī)器人、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（IH）與高頻電源、太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器（太陽能發(fā)電站等非家庭用）等；城市里的SiC有電動(dòng)汽車（車載充電器）、快速充電站、發(fā)電機(jī)、醫(yī)療診斷設(shè)備等。

SiC功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢

此外，碳化硅器件在航空航天、核能等極端工作環(huán)境中有也著不可替代的優(yōu)勢。

關(guān)鍵技術(shù)——碳化硅單晶

碳化硅器件性能非常突出，但其生產(chǎn)過程可謂是困難重重。其產(chǎn)業(yè)鏈貫穿了材料、芯片設(shè)計(jì)、制造工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)。相對傳統(tǒng)硅基技術(shù)而言，寬禁帶功率器件由于采用了SiC半導(dǎo)體材料，在各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)也會遇到新的問題與挑戰(zhàn)。

SiC半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)鏈

從技術(shù)的角度來說，與硅基功率器件制作工藝不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，需要在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，最后在外延層上制造各類器件。傳統(tǒng)的碳化硅外延基于高品質(zhì)碳化硅單晶襯底，以實(shí)現(xiàn)晶格匹配和降低缺陷密度（微管、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）。

即是說，制備出性能優(yōu)良的碳化硅單晶襯底是產(chǎn)業(yè)鏈上極為關(guān)鍵的一環(huán)！

（圖片來源：天岳先進(jìn)）

襯底是功率器件的基礎(chǔ)。由于目前Si基功率器件生產(chǎn)廠商的大部分生產(chǎn)線支持4英寸以上的晶圓，因此4、6英寸及以上SiC襯底技術(shù)的成熟是SiC功率器件在所有重要領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的前提條件。

SiC晶片（襯底）制備方法

SiC單晶制備又是襯底的基礎(chǔ)。碳化硅單晶制備技術(shù)包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和高溫氣相化學(xué)沉積法等，目前商用碳化硅單晶生長均采用PVT法。PVT法制備碳化硅單晶的難度在于：

①碳化硅單晶生長設(shè)備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。碳化硅長晶爐是晶體制備的載體，也是晶體生長核心技術(shù)中的熱場和工藝的重要組成部分。針對不同尺寸、不同導(dǎo)電性能的碳化硅單晶襯底，碳化硅長晶爐需要實(shí)現(xiàn)高真空度、低真空漏率等各項(xiàng)性能指標(biāo)，為高質(zhì)量晶體生長提供適合的熱場實(shí)現(xiàn)條件。

②碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；作為反應(yīng)源的硅粉和碳粉反應(yīng)不完全易造成Si/C比失衡；碳化硅粉料合成后的晶型和顆粒粒度難控制。

③碳化硅單晶在2300°C以上高溫的密閉石墨腔室內(nèi)完成“固-氣-固”的轉(zhuǎn)化重結(jié)晶過程，生長周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。

④碳化硅單晶包括200多種不同晶型，但生產(chǎn)一般僅需一種晶型，生長過程中易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變造成多型夾雜缺陷，制備過程中單一特定晶型難以穩(wěn)定控制，例如目前主流的4H型。

⑤碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導(dǎo)致晶體生長過程中存在原生內(nèi)應(yīng)力及由此誘生的位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷。

⑥碳化硅單晶生長過程中需要嚴(yán)格控制外部雜質(zhì)的引入，從而獲得極高純度的半絕緣晶體或定向摻雜的導(dǎo)電型晶體。對于射頻器件使用的半絕緣碳化硅襯底，電學(xué)性能需要通過控制晶體中極低的雜質(zhì)濃度及特定種類的點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)。

⑦碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工過程中存在易開裂問題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質(zhì)量問題；為了達(dá)到下游外延開盒即用的質(zhì)量水平，需要對碳化硅襯底表面進(jìn)行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達(dá)到嚴(yán)苛的金屬、顆粒控制要求。

物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體示意圖

碳化硅單晶制備技術(shù)的高難度特性無疑會限制了產(chǎn)品良率，增加了生產(chǎn)成本，進(jìn)而影響了其最終價(jià)格，這也是為什么碳化硅器件價(jià)格高居不下的主要原因。

住友礦山向世界龍頭發(fā)起的挑戰(zhàn)

既然碳化硅單晶襯底制備的成本非常高，那么，誰能掌握較低生產(chǎn)成本的技術(shù)便可以在市場競爭中占據(jù)主動(dòng)地位。

對此，住友礦山的做法是，通過在結(jié)晶不規(guī)則而價(jià)格較低的“多晶SiC(而非昂貴的單晶碳化硅)”上貼一層可以降低發(fā)電損耗的“單晶SiC”，合成一片晶圓。與基于碳化硅單晶襯底的傳統(tǒng)SiC功率半導(dǎo)體相比，其價(jià)格低10%-20%。另外，純電動(dòng)汽車的逆變器采用SiC功率半導(dǎo)體時(shí)，可以降低電力損耗，與此類現(xiàn)有產(chǎn)品相比，住友礦山的新晶圓能將電力損耗進(jìn)一步降低10%左右。

一直以來，基于SiC單晶生長技術(shù)的不斷發(fā)展，以Wolfspeed、DowCorning、SiCrystal、II-VI公司為首的單晶襯底企業(yè)不斷侵占市場份額(我國廠商天岳先進(jìn)已成為該領(lǐng)域世界前三)，成為單晶襯底行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。尤其是Wolfspeed公司，目前它在該領(lǐng)域占據(jù)了50%以上的市場份額，其在2010年便發(fā)布6英寸SiC單晶襯底試樣，并于2013年推出商品化6英寸SiC單晶襯底，2015年在ICSCＲM國際會議上展示了其8英寸SiC單晶襯底試樣，于2019年10月在紐約州立理工學(xué)院奧爾巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制備。另外一家成功研制8英寸SiC單晶襯底的公司是II-VI Advanced Materials。

在非常高端的碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域，高售價(jià)讓碳化硅器件的應(yīng)用推廣在一定程度上受阻。盡管住友礦山目前還無法威脅到Wolfspeed“江湖老大”的地位，但如果其真能做到將碳化硅同類產(chǎn)品價(jià)格降低10%到20%，那將會撼動(dòng)整個(gè)碳化硅半導(dǎo)體市場，“無利不起早，百事利當(dāng)先”的道理誰會不懂？

參考來源：

[1]住友礦山將量產(chǎn)新一代碳化硅功率半導(dǎo)體晶圓.中國電子報(bào)

[2]陳堯等.國內(nèi)外碳化硅功率器件發(fā)展綜述

[3]閆美存等.碳化硅功率器件的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究

[4]HAFOM.碳化硅半導(dǎo)體SiC在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用

[5]天岳先進(jìn)招股說明書

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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