碳化硅性能、技术壁垒及制造工艺分析

碳化硅具有耐高温、高压与高频、低功耗等优势。

经过数十年的发展，传统的硅（Si）材料制备和工艺日臻完美，硅基功率器件的设计和开 发也经过了数轮的升级迭代，器件性能逐渐逼近硅材料的极限，性能提升空间有限。现代 电力电子技术在高温、高压、高频等方面对于半导体材料提出了更高要求。由硅和碳组成 的化合物半导体材料碳化硅（SiC）是第三代化合物半导体的典型代表，和第一代以硅为 主、第二代以砷化镓为主的半导体材料相比，SiC 具有禁带宽度大、饱和电子漂移率高、 热导系数高等优势，因此适用于生产大功率、耐高温、耐高压的功率器件。

SiC 材料的禁带宽度是 Si 材料的 3 倍左右，临界击穿场强是 Si 的 10 倍，能够耐受更高 的电压。单位面积阻隔电压的能力是 Si 的 7 倍，热导率也超过 Si 3 倍。其电子漂移速度 大概是 Si 的 2 倍多，这样的物理特性可以让 SiC 功率器件运行在更高的电压下。此外， SiC 功率器件因为各方面速率较高，可以让 SiC 功率器件在满足轻薄短小的体积要求下， 获得更高的开关频率、更高的功率密度和更好的散热性能。

衬底的电学性能决定下游芯片功能与性能的优劣，为使材料能满足不同芯片的功能要求， 需要制备电学性能不同的衬底。按照电学性能的不同，SiC 衬底可分为两类：根据工信部 发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019 年版）》，一类是具有高电阻率（电 阻率≥10^5Ω·cm）的半绝缘型SiC衬底，另一类是低电阻率（电阻率区间为 15~30mΩ·cm） 的导电型 SiC 衬底。

SiC 衬底通常使用化学气相沉积（CVD）在晶片上形成一层外延片。在导电型衬底上生长 SiC 外延层制备 SiC 同质外延片，进而制成的肖特基二极管、MosFET、IGBT 等 SiC 功 率器件，下游主要应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网和航空航天等领域。 在半绝缘型 SiC 衬底上生长的 GaN 异质外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）外 延片，可制成 HEMT 等微波射频器件，主要应用于 5G 通讯、无线电探测等领域。

在 SiC 产业链中，衬底部分占据了重要的价值份额。根据中商产业研究院的数据，衬底 是 SiC 功率器件制造过程中成本占比最高的环节，占比达 47%，而在传统的硅基半导体 器件中，硅片衬底的占比通常不超过 10%，造成 SiC 衬底和 Si 衬底价值占比显著差异的 主要原因在于 SiC 单晶材料制备的复杂性更高；SiC 器件价值量占比第二大的是外延部分 的成本，占比为 23%，目前衬底和外延这两大工序是 SiC 功率器件制备中最重要的环节。

SiC 晶体的生长和衬底的加工是目前 SiC 行业的主要技术壁垒： 1）温度要求高：相较硅基衬底，SiC 衬底在晶体生长的过程中温度很高（通常在 2000℃ 以上）且不可实时监控，工艺难度高； 2）长晶速度慢：从晶体的生长周期来看，SiC 晶体需要一周的时间才能长出 2cm 的晶 锭，而传统的硅材料仅需 2-3 天就能生长出近 2m 长的晶棒，长晶效率低，导致 SiC 的衬 底生产效率低，产出非常有限； 3）晶型要求高、切磨抛难度大：SiC 晶体在生长过程容易发生微管、多型夹杂、位错 等缺陷。SiC 单晶包括 200 多种不同晶型，但仅少数几种晶体结构(4H 型)才是生产功率 器件所需的半导体材料，生长过程中易产生晶型转变造成多型夹杂缺陷，因此需要精确控 制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数。从衬底的加工来看，SiC 的硬度仅次于金刚石，属于高脆性材料，因此在后续的切割中耗时久、易裂片。 当前 SiC 晶体制备效率低，直接影响 SiC 衬底的生产成本，这也是其价格高企的主要原 因。随着相关产业链的不断成熟和量产规模的扩大，SiC 晶体制备技术也在持续改进和发 展。当前 SiC 晶体的生长主要采用物理气相传输（PVT）法、高温化学气相沉积（HTCVD） 法和液相法三种方法。 物理气相传输（PVT）法目前是制备 SiC 单晶的主流方法，被大多数大规模生产 SiC 衬 底的企业所采用。在整个生长过程中，需要精确控制多个参数，如生长温度、温度梯度、 晶体与原料表面的距离以及生长压力等。这些参数的微小变化都可能影响晶体的最终品质， 如晶体结构的变化或形成缺陷。因此，如何控制生长室内的热场和温度梯度成为了各个厂 商的核心技术，也是许多企业拥有自主研发单晶炉能力的关键所在，目前公司已掌握 SiC 单晶生长设备设计、热场设计制造、高纯 SiC 粉料合成等晶体生长的核心技术。

PVT 法在生长 SiC 单晶时的速度相对较慢，根据半导体前沿的数据，通常生长出 20mm 厚的晶体需要约 7 天时间，而相比之下，生产 1-3 米长的硅晶棒只需一天。尽管如此， PVT 法凭借其在制备高质量 SiC 单晶方面的优势，目前仍然是行业的首选技术。高温化 学气相沉积（HTCVD）法在生长碳化硅晶体方面相较于 PVT 法具有更高的速率，生长速 度可达每小时 0.3-0.6 毫米，这一方法在碳化硅单晶生长领域展现出巨大潜力。HTCVD 法是对传统 CVD 技术的一种改进，在这个过程中，气体从石墨坩埚底部进入，在 2100-2300℃的高温区域发生化学反应，生成 Si 和 SiC。由这些化学反应产生的气体随后 在坩埚上方的籽晶沉积，形成单晶。

目前PVT 法在制造大尺寸SiC晶体和降本方面遇到挑战，液相法长晶重新引起业界关注。 液相法的核心在于使用石墨坩埚作为反应器，通过在熔融纯硅中加入助溶剂，提高其对碳 的溶解度。在坩埚靠近壁面的高温区域，碳溶解于熔融硅中；而在坩埚中心温度较低的碳 化硅籽晶处，碳的溶解度降低，形成过饱和溶液。此时，溶液中的碳与硅结合，在籽晶表 面进行外延生长。同时，溶液中析出的碳回流至坩埚壁，继续溶解形成循环。液相法在衬 底扩径降本方面极具潜力，但仍面临一些技术难题。过快的生长速度可能导致缺陷，甚至 晶体开裂。由于石墨坩埚在生长过程中不断腐蚀，可能会影响晶体生长环境的稳定性。 公司布局液相法多年，目前在该领域获得了低贯穿位错和零层错的 SiC 晶体。