簡述碳化硅襯底的國產化進程

隨著下游新能源汽車、充電樁、光伏、5G基站等領域的爆發，引爆了對第三代半導體——碳化硅材料襯底、外延與器件方面的巨大市場需求，國內眾多企業紛紛通過加強技術研發與資本投入布局碳化硅產業，今天我們首先來探討一下碳化硅襯底的國產化進程。

◆ 碳化硅襯底類型

碳化硅分為立方相（閃鋅礦結構）、六方相（纖鋅礦結構）和菱方相3大類共 260多種結構，目前只有六方相中的 4H-SiC、6H-SiC才有商業價值。另碳化硅根據電學性能的不同主要可分為高電阻（電阻率 ≥105Ω·cm）的半絕緣型碳化硅襯底和低電阻（電阻率區間為 15~30mΩ·cm）的導電型碳化硅襯底，滿足不同功能芯片需求，其中：

半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成氮化鎵射頻器件；

導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造各類功率器件。

大尺寸碳化硅襯底有助于實現降本增效，已成主流發展趨勢。襯底尺寸越大，單位襯底可生產更多的芯片，因而單位芯片成本越低，同時邊緣浪費的減少將進一步降低芯片生產成本。目前業內企業量產的碳化硅襯底主要以4英寸和6英寸為主，在半絕緣型碳化硅市場，目前襯底規格以4英寸為主；而在導電型碳化硅市場，目前主流的襯底產品規格為6英寸。國際巨頭CREE、II-VI以及國內的爍科晶體都已成功研發8英寸襯底產品。

◆ 碳化硅單晶制備技術

碳化硅襯底制備技術包括 PVT 法（物理氣相傳輸法）、溶液法和HTCVD法（高溫氣相化學沉積法）等，目前國際上基本采用PVT法制備碳化硅單晶。 SiC單晶生長經歷3個階段，分別是Acheson法、Lely法、改良Lely法。

利用SiC高溫升華分解特性，可采用升華法即Lely法來生長SiC晶體，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環境溫度為 2 500℃的條件下進行升華生長，可以生成片狀SiC晶體。

但Lely法為自發成核生長方法，較難控制所生長SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來又出現了改良的Lely法，即PVT 法（物理氣相傳輸法），其優點在于：采用SiC籽晶控制所生長晶體的晶型，克服了Lely法自發成核生長的缺點，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長較大尺寸的SiC單晶。

◆ 為何半絕緣型與導電型碳化硅襯底技術壁壘都比較高？

PVT方法中SiC粉料純度對晶片質量具有較大影響。粉料中一般含有極微量的氮（N），硼（B）、鋁（Al）、鐵（F e）等雜質，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產生游離的空穴。

為了制備n型導電碳化硅晶片，在生長時需要通入氮氣，讓它產生的一部分電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），另外的游離電子使碳化硅表現為n型導電。

為了制備高阻不導電的碳化硅（半絕緣型），在生長時需要加入釩（V）雜質，釩既可以產生電子，也可以產生空穴，讓它產生的電子中和掉硼、鋁產生的空穴（即補償），它產生的空穴中和掉氮產生的電子，所以所生長的碳化硅幾乎沒有游離的電子、空穴，形成高阻不導電的晶片（半絕緣型）。

摻釩工藝復雜，所以半絕緣碳化硅很難制備，成本很高。近年來也出現了通過點缺陷來實現高阻半絕緣碳化硅的方法。p型導電碳化硅也不容易制備，特別是低阻的p型碳化硅更不容易制備。

◆ 下游市場需求強勁，碳化硅襯底市場迎來黃金成長期

導電型碳化硅襯底方面，受益于新能源汽車逆變器的巨大需求，將保持高速增長態勢，根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的數據顯示，預計2020-2025年國內市場的需求，4英寸逐步從10萬片市場減少到5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長到20萬片；2025~2030年：4英寸晶圓將逐漸退出市場，6英寸晶圓將增長至40萬片。

半絕緣型碳化硅襯底方面，受下游5G基站強勁需求驅動，碳化硅基氮化鎵高頻射頻器件將逐步加強市場滲透，市場空間廣闊，預計2020-2025年國內市場的需求，4英寸逐步從5萬片市場減少到2萬片，6英寸晶圓將從5萬片增長到10萬片；2025~2030年：4英寸晶圓將逐漸退出市場，保守估計6英寸晶圓將增長至20萬片。

◆ 碳化硅襯底國產化進程大提速

全球碳化硅襯底代表企業主要有CREE、II-VI、SiCrystal，國際龍頭企業相比國內企業由于起步早，在產業化經驗、技術成熟度、產能規模等方面具備領先優勢，搶占了全球碳化硅襯底絕大部分的市場份額。

隨著下游終端市場，新能源汽車、光伏、5G基站等領域的快速增長，為上游碳化硅襯底提供了巨大的市場活力，國內以山東天岳、天科合達、爍科晶體等為代表的企業紛紛跑馬圈地碳化硅襯底市場，通過加強技術研發與資本投入，逐漸掌握了4英寸至6英寸，甚至8英寸的碳化硅襯底制造技術，縮小了與國際龍頭之間技術與產能方面的差距。

編輯：jq