我国的碳化硅产业可能会带来巨大的好处

 
进入 2021 年以来，在碳化硅外延领域，国内外公司接连传来好消息。  
2021年3月1日，日本丰田通商株式会社正式宣布成功开发出一种名为“动态AGE-ing”的表面纳米控制技术。该技术可以将任何尺寸和供应商的SiC衬底的基面位错(BPD)降低到1以下。  
    图 1 丰田动态老化技术  
巧合的是，2021 年 3 月 3 日，厦门瀚天天成电子技术有限公司宣布，该公司已突破碳化硅超结深沟槽外延的关键制造工艺。  
    图片2 碳化硅超结深沟槽外延的关键制造工艺  
碳化硅外延是碳化硅产业链的重要组成部分。如今，碳化硅外延技术的发展已进入快速发展阶段，它将对整个碳化硅外延生态系统产生怎样的影响？请允许我逐一分析。  
           

它可能会改变国际碳化硅外延行业的格局。

   
碳化硅产业链主要分为晶圆制备、外延生长、器件制造、模块封装测试和系统应用等几个重要环节。其中，外延生长是连接过去与未来的重要环节，发挥着至关重要的作用。  
    图3 碳化硅产业链由于现有器件基本都基于外延层实现，因此对外延层的质量要求非常高。随着耐压性能的不断提升，所需的外延层厚度也随之增加。通常情况下，当电压在600V左右时，所需的外延层厚度约为6微米；当电压在1200V至1700V之间时，所需的外延层厚度可达10-15微米；如果电压超过10,000V，则可能需要超过100微米的外延层厚度。随着外延层厚度的不断增加，控制其厚度、电阻率均匀性和缺陷密度变得越来越困难。  
目前，碳化硅外延的主流技术包括斜阶流技术和TCS技术等。  
所谓斜切阶梯流技术是指在切割碳化硅衬底时采用约8°的倾斜角。这种切割方式得到的衬底表面具有较高的阶梯流密度，便于实现晶圆级碳化硅外延。目前，斜切阶梯流技术已较为成熟。然而，该技术也存在两个缺陷：一是无法阻挡基面位错；二是会造成衬底材料的浪费。  
为了突破阶梯流技术的局限性，人们尝试在反应腔中加入含氯元素的硅源，并通过不断改进最终开发出TCS等技术。目前，碳化硅外延技术已与碳化硅外延设备高度集成。2014年，意大利LPE公司率先将TCS等技术商业化。2017年，AIXTRON公司升级设备并将该技术移植到商用设备中。  
目前，碳化硅外延设备主要由意大利的LPE公司、德国的AIXTRON公司和日本的Nuflare公司垄断。  
    图片4 全球碳化硅行业概况    
       

图 5 现有碳化硅外延设备的分析

预计到 2023 年，碳化硅外延设备的复合年增长率将超过 50%。        
      图 6 碳化硅外延设备的市场前景    
随着新兴的碳化硅外延技术的兴起，这个价值数十亿美元的产业可能会迎来新一轮的重组。  
             

它可能会促进我国碳化硅基板材料产业的成熟。

 
碳化硅是第三代半导体材料的典型代表。根据用途不同，可将其分为珠宝级碳化硅材料、用于电力电子器件的N型碳化硅材料和用于功率射频器件的半绝缘碳化硅材料。虽然近年来珠宝级碳化硅材料和半绝缘碳化硅材料的市场增长迅速，但N型碳化硅材料才是未来市场的绝对主角。  
与珠宝级碳化硅和半绝缘碳化硅材料相比，N型碳化硅材料对晶体质量的要求更高。在这个领域，我国碳化硅衬底企业与科锐（CREE）等国际一流企业之间仍存在一定的差距。  
如果丰田开发的动态老化等技术能够在我国大规模应用，无疑将大大降低N型碳化硅衬底材料的准入门槛。据中国电子材料工业协会半导体材料分会统计，我国已启动30多个碳化硅衬底材料项目，投资额超过30亿元人民币。然而，由于缺陷等技术原因，N型碳化硅衬底的产能提升一直滞后。如果碳化硅外延技术能够取得关键性突破，将如同为我国碳化硅衬底材料企业打开闸门。    
           

它可能会促进我国碳化硅器件产业的发展。

   
尽管我国已投资30多个碳化硅衬底项目，但市场需求最大的6英寸N型碳化硅晶圆仍严重依赖进口。目前，碳化硅衬底和外延的成本占碳化硅组件总成本的50%以上。如果这个问题得不到解决，我国碳化硅产业与美国相比将难以具备竞争力。  
市场研究机构Yole指出，碳化硅功率电子产业发展潜力巨大，包括ROHM、庞巴迪、科锐、SDK、意法半导体、英飞凌科技、Littelfuse、Ascatron等在内的众多厂商已投入巨资。Yole预测，到2023年，碳化硅功率半导体市场规模预计将达到1.4亿美元，2016年至2023年的复合年增长率（CAGR）为28%，2020年至2022年的复合年增长率将进一步提升至40%。     

总而言之，未来前景广阔，但仍应鼓励国内碳化硅行业的同仁们继续前进。

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