寬禁帶半導體的核心材料碳化硅襯底到底貴在哪里？

碳化硅襯底是新近發展的寬禁帶半導體的核心材料，碳化硅襯底主要用于微波電子、電力電子等領域，處于寬禁帶半導體產業鏈的前端，是前沿、基礎的核心關鍵材料。4H-SiC具有3.2（eV）的禁帶寬度，2.00飽和電子漂移速率（107cm/s），3.5擊穿電場強度（MV/cm）以及4.00熱導率（W·cm-1·K-1），具有數倍于硅基的優勢?；谝陨蟽灹嫉牟牧蠈傩蕴匦?，碳化硅襯底的使用極限性能優于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求，已應用于射頻器件及功率器件。

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碳化硅襯底分類

碳化硅襯底可分為半絕緣型與導電型兩種，其中，半絕緣型碳化硅襯底具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm），半絕緣型襯底加之異質氮化鎵外延片可以作為射頻器件的材料，主要應用與上述所述場景的5G通訊、國防軍工等領域。

導電型碳化硅襯底具有低電阻率（電阻率區間為15~30mΩ·cm），導電型碳化硅襯底配之碳化硅的同質外延可以用來做功率器件的材料，主要的應用場景為電動汽車、系能源等領域，兩者均具備應用場景廣泛、波及行業眾多、市場范圍廣闊等特點。

碳化硅襯底貴在哪里？

01 一次性價格高昂耗材占比重



某公司碳化硅襯底制備原料清單

（1）由原料支出總體金額來看，該公司的原料支出金額從2018年的3250萬元漲到了2021年的19926.9萬元；

（2）在碳化硅襯底的制備原料里，以2021年為例，石墨件成本占比為45.21%，石墨氈占比為41.32%，占據了原料成本的86.53%，相對比與碳粉、硅粉占比0.97%、1.99%可謂差別巨大，相較于其余一些拋光液2.01%，拋光墊1.75%，金剛石粉2.34%，其他占比為4.18%等也是相差巨大，其中占比最大的原料是石墨件45.21%，占比最低的原料是切割鋼絲0.22%；

（3）在2018—2021年碳化硅襯底制備的原料中根據其成本占比波動趨勢可以將原料分為三類：第一類是占比呈現上升趨勢的如石墨件從32.98%上升至45.21%，石墨氈從37.06%上升至41.32%；第二類是占比基本保持穩定的原料如切割鋼絲占比一直維持在0.25（±0.5之內），拋光液占比一直維持在1%（±1%左右）以及拋光墊占比一直維持在2%（±0.5%之內）；第三類是呈現占比下降趨勢的原料如碳粉從2018年占比5.71%下降至2021年0.97%，硅粉2018年的占比5.47%到2021年的占比1.99%以及其他占比從2018年的8.75%下降至2021年的4.18%。

綜合以上分析可知，在碳化硅的制備過程中，一次性價格高昂耗材占比過重是導致碳化硅襯底生產成本高的原因之一。坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導熱性能強、抗腐蝕性能好、壽命長等特點，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產原料中到2021年占比達到45%以上，而且其占比還呈現一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個原因。

02 制備工藝條件要求高

物理氣相傳輸（PVT）法是一種常見的碳化硅晶體生長方法——在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應氣體；由于固相升華反應形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結晶位置；為了避免無序的氣相結晶形成多晶態碳化硅，在生長腔室頂部設置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。

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由以上可分析出，碳化硅制備的工藝實現條件要求極高有以下幾點：

01

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

02

2,300°C以上高溫、接近真空等在密閉石墨腔室內完成“固-氣-固”的轉化重結晶過程，生長周期長、控制難度大，易產生微管、包裹物等缺陷；

03

碳化硅包括200多種不同晶型，但生產一般僅需一種晶型，生長過程中易產生晶型轉變造成多型夾雜缺陷，制備過程中單一特定晶型難以穩定控制，且不同晶型之間的能量轉化勢壘極低又給控制增加了難度，期間的參數控制、相關研究需要巨大的研發成本，這又是導致合規的碳化硅成本高昂的又一大原因。故需采用專用檢測設備檢測晶錠的晶型和各項缺陷。

03 以微觀密度為例解釋良率低

碳化硅核心技術參數包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。其中，碳化硅結晶中的微管密度是導致產品良率低以及合規碳化硅成本高昂的又一大因素。微管是延伸并貫穿整個晶棒的中空管道。微管的存在對于器件的應用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結晶質量，器件區存在微管時將導致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產業化應用的重要技術方向。

隨著微管缺陷改進技術的不斷進步，國際領先的碳化硅企業可以將微管密度穩定地控制在1cm-2以下。這只是其中一種指標的評判，可想而知，制造出以上諸多核心指標納米級別范圍內的優質襯底可見成本控制之難。

04 污染處理

雖然碳化硅的制造企業不屬于重污染企業，但在國家加強生態建設、碳中和、碳達峰的大環境下，所以制備材料的污染處理是一個不可忽視的環節，同時也是加大生產成本投入的重要因素之一。在碳化硅襯底材料的生產過程中，對于污染物的處理主要有：廢水通過經污水處理站處理達標后排入市水質凈化廠進一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環衛部門處理，其他通過回收單位進行資源再利用；危險廢物通過委托有資質第三方機構處理；廢氣通過排污裝置合規排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理。 污染的處理費用雖然是材料制備環節中的間接費用，但是作為一種新型材料，其污染問題的處理也一直是大家關注的焦點問題，污染物的處理無疑又是高昂的碳化硅成本的助推者之一。 由于以上幾點的都具有很高的技術壁壘、資金壁壘，突破需要巨大的研發投入以及長時間的人才培養，所以對于碳化硅的具體市場滲透來說，降成本、擴尺寸，加大市場滲透率還需要很長的路要走！

審核編輯：劉清