第一代半導體材料以傳統的硅（Si）和鍺（Ge）為代表，是集成電路制造的基礎，廣泛應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中，90%以上的半導體產品是用硅基材料制作的； 第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和磷化鎵（GaP）為代表， 相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應用于光電子和微電子領域； 第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛 石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料為代表。

碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。

因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。特別是在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。

碳化硅技術壁壘是什么？碳化硅技術壁壘有哪些？

SiC 生產過程分為SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組四大環節。

主流制造襯底的方式首先以物理氣相升華法，在高溫真空環境下將粉料升華，通過溫場的控制在籽晶表面生 長出碳化硅晶體。以碳化硅晶片為襯底，使用化學氣相沉積法，在晶片上淀積一層單晶形成外延片。其中，在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，可制成功率器件，主要應用于電動車、光伏等領域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵 外延層，可進一步制成射頻器件，應用于 5G 通訊等領域。

就目前而言，碳化硅產業鏈中碳化硅襯底的技術壁壘最高，碳化硅襯底生產難度最高。

SiC的生產瓶頸尚未完全徹底的解決，原料晶柱的質量不穩定存在良率問題，這就導致了SiC器件的成本過高。硅材料長晶平均只要3天即可長成一根晶棒，但碳化硅晶棒則需要一周，一般的硅晶棒可以長200公分的長，但一根碳化硅的晶棒只能長出2公分。而且SiC本身屬于硬脆性材料，由其制成的晶圓，在使用傳統的機械式切割晶圓劃片時，極易產生崩邊，影響產品良率及可靠性。SiC基板與傳統的硅晶錠有很大不同，從設備、工藝、處理到切割的一切都需要進行開發，以處理碳化硅。

碳化硅產業鏈主要分為襯底、外延、器件和應用四大環節，襯底材料是產業鏈的基礎，外延材料是器件制造的關鍵，器件是產業鏈的核心，應用是產業發展的動力。產業上游利用原材料通過物 理氣相升華法等方法制成襯底材料，再利用化學氣相沉積法等方法生長外延材料， 產業中游基于上游材料制成射頻器件、功率器件等器件，最終應用于下游 5G 通信、電動汽車、軌道交通等。其中，襯底和外延共占產業鏈成本 60%，是產業鏈主要價值所在。

SiC襯底：SiC晶體通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品，國內襯底以4英寸為主。由于現有的6英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時間。

碳化硅襯底工藝復雜，制作難度大。碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的 化合物半導體單晶材料。目前行業內主要以高純碳粉、 高純硅粉為原料合成碳化 硅粉，在特殊溫場下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT 法），在晶體生長爐中 生長不同尺寸的碳化硅晶錠，最后經過加工、切割、研磨、拋光、清洗等多道工 序產出碳化硅襯底。

穩定量產性能穩定的高品質碳化硅晶片的技術難點有：

1）由于晶體需要在 2000℃以上的高溫密閉環境生長，對控溫要求極高；

2）由于碳化硅存在 200 多種晶體結構，但只有少數幾種結構的單晶型碳化硅才是 所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶 體生長速率以及氣流氣壓等參數；

3）氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術難度極大；

4）碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大。

SiC外延：通常用化學氣相沉積（CVD）方法制造，根據不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。對于SiC外延來說，高壓領域控制難，SiC外延質量對SiC器件影響較大。而且外延設備被行業四大龍頭企業 Axitron、 LPE、TEL 和 Nuflare 所壟斷。

碳化硅外延片，是指在原有碳化硅襯底 上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。外延生長主要使用 CVD（Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積）設備或者 MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設備。由于碳化硅器件是直接在外延層制造，外延質量的好壞直接影響了器件的性能和良率，隨著器件需求耐壓性能的不斷提高，對應的外延層厚度就越厚，控制難度也就越高。一般電壓在 600V 左右時，所需要的外延層厚度約在 6 微米左右；電壓在 1200-1700V 之間時，所需要的外延層厚度就達到 10-15 微米。如果電壓達到一萬伏以上時，可能就需要 100 微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發困難。

SiC器件：國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET已經實現產業化，主流產品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。價格方面，國際上的SiC產品價格是對應Si產品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴產上線，未來2~3年后市場供應加大，價格將進一步下降，預計價格達到對應Si產品2~3倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動SiC逐步占領Si器件的市場空間。

傳統封裝基于硅基，三代半導體材料具有全新設計。若將傳統硅基封裝結構用于寬禁帶半導體功率器件時，會在頻率、散熱、可靠性等方面帶來新的問題與挑戰。SiC 功率器件對寄生電容和寄生電感更加敏感。相比于 Si 器件 SiC 功率芯片的開 關速度更快，這會對驅動電壓的波形帶來過沖和震蕩，引起開關損耗的增加，嚴重時甚至會引起功率器件的誤開關。此外 SiC 功率器件工作溫度更高，對散熱的 要求也更高。

寬禁帶半導體功率封裝領域研發出多種不同結構。傳統 Si 基功率模塊封裝不再適 用。針對傳統 Si 基功率模塊封裝存在寄生參數過高，散熱效率差的問題，SiC 功 率模塊封裝在結構上采用了無引線互連（wireless interconnection）和雙面散熱 （double-side cooling）技術，同時選用了導熱系數更好的襯底材料，并嘗試在模 塊結構中集成去耦電容、溫度/電流傳感器以及驅動電路等，研發出了多種不同的模塊封裝技術。而且在SiC器件制造存在較高的技術壁壘，生產成本很高。

碳化硅器件是通過 CVD 在碳化硅襯底上疊層外延膜，經過清洗、氧化、光刻、刻蝕、去光阻、離子注入、化學氣相沉積沉淀氮化硅、拋光、濺鍍、后加工等步驟后在 SiC 單晶基板上形成元件結構所得。其中，SiC 功率器件主要包括 SiC 二極管、SiC 晶體管和 SiC 功率模塊。受制于上游材料生產速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有較高制造成本。

此外，碳化硅器件制造具有一定技術難度：

1）需要開發與碳化硅材料特性吻合的特定工藝，如：SiC 具有高熔點使傳統熱擴散失效，需要采用離子注入摻雜法，并精準控制溫度、升溫速率、持續時間、氣體流量等參數；SiC 對化學溶劑具有惰性，應采用干刻蝕等方法，并優化和開發掩膜材料、氣體混合物、側壁斜率的控制、蝕刻速率、側壁粗糙度等；

2）碳化硅晶片上金屬電極的制造要求接觸電阻低于 10- 5Ω2，符合要求的電極材料 Ni 和 Al 在 100℃ 以上時具有較差熱穩定性，但具有較好熱穩定性的 Al/Ni/W/Au 復合電極材料接觸比電阻高 10- 3Ω2；

3）SiC 切割磨損高，SiC 硬度僅次于金剛石，對切割、研磨、拋光等技術提出了更高的要求。

而且，溝槽型碳化硅功率器件具有更大制造難度。根據器件結構的不同，碳化硅功率器件主要可以分為平面型器件和溝槽型器件。平面型碳化硅功率器件具有較好的單位一致性，制作工藝簡單，但易產生JFET 效應，具有較高的寄生電容和通態電 阻。相較于平面型器件，溝槽型碳化硅功率器件單位一致性較低，具有更復雜的制作工藝，但溝槽結構有利于增加器件單位密度，不易產生 JFET 效應，有利于解 決溝道遷移率低等問題，具有導通電阻小、寄生電容小、開關能耗低等優良性能，具有顯著的成本優勢和性能優勢，已成為碳化硅功率器件發展的主流方向。根據 Rohm 官網，ROHM Gen3 結構（Gen1 Trench 結構）僅為 Gen2（Plannar2）芯片 面積的 75%，且同一芯片尺寸下 ROHM Gen3 結構導通電阻降低 50%。

碳化硅襯底、外延、前段、研發費用和其他分別在碳化硅器 件制造成本中占比 47%，23%，19%，6%，5%。

最后我們再著重分解一下碳化硅產業鏈中襯底的技術壁壘。

碳化硅襯底生產過程與硅基襯底類似，但是難度更大。

碳化硅襯底的制作流程一般包括原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、晶片研磨、拋光、清洗等環節。

其中晶體生長階段為整個流程的核心，該步驟決定了碳化硅襯底的電學性質。

碳化硅材料在一般條件下很難液相生長，如今市場流行的氣相生長法，生長溫度在 2300℃以上，而且需要精確調控生長溫度，整個操作過程幾乎難以觀測，稍有差錯就會導致產品報廢。相比之下，硅材料只需要 1600℃，要求低很多。制備碳化硅襯底還面臨長晶速度慢，晶型要求高等困難。碳化硅晶圓生長約需要 7 至 10 天，而硅棒拉晶只需要 2 天半。而且碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料，切割、研磨、拋光時候也會損失掉的很多，產出比只有 60%。

我們知道碳化硅襯底的尺寸做大是趨勢，隨著尺寸不斷增大，擴徑技術的要求也越來越高。需要綜合多方面的技術控制要素，才能實現晶體的迭代擴徑生長。

轉載：半導體材料與工藝