我國的碳化矽產業可能會帶來巨大的好處

 
自進入 2021 年以來，在碳化矽外延領域，國內外公司接連傳來好消息。  
2021年3月1日，日本豐田通商株式會社正式宣布成功開發出名為「動態AGE-ing」的表面奈米控制技術。此技術可將任何尺寸和供應商的SiC基板的基底面位錯(BPD)降低到1以下。  
    圖 1 豐田動態老化技術  
巧合的是，2021 年 3 月 3 日，廈門瀚天天成電子技術有限公司宣布，該公司已突破碳化矽超結深溝槽外延的關鍵製造流程。  
    圖片2 碳化矽超結深溝槽外延的關鍵製造工藝  
碳化矽外延是碳化矽產業鏈的重要組成部分。如今，碳化矽外延技術的發展已進入快速發展階段，它將對整個碳化矽外延生態系統產生怎樣的影響？請容許我逐一分析。  
           

它可能會改變國際碳化矽外延產業的格局。

   
碳化矽產業鏈主要分為晶圓製備、外延生長、裝置製造、模組封裝測試和系統應用等幾個重要環節。其中，外延生長是連結過去與未來的重要環節，扮演至關重要的角色。  
    圖3 碳化矽產業鏈由於現有裝置基本上都是基於外延層實現，因此對外延層的品質要求非常高。隨著耐壓性能的不斷提升，所需的外延層厚度也隨之增加。通常情況下，當電壓在600V左右時，所需的外延層厚度約為6微米；當電壓在1200V至1700V之間時，所需的外延層厚度可達10-15微米；如果電壓超過10,000V，則可能需要超過100微米的外延層厚度。隨著外延層厚度的不斷增加，控制其厚度、電阻率均勻性和缺陷密度變得越來越困難。  
目前，碳化矽外延的主流技術包括斜階流技術和TCS技術等。  
所謂斜切階梯流技術是指在切割碳化矽基板時採用約8°的傾斜角。這種切割方式所得到的基板表面具有較高的階梯流密度，便於實現晶圓級碳化矽外延。目前，斜切階梯流技術已較為成熟。然而，該技術也存在兩個缺陷：一是無法阻擋基面位錯；二是會造成基板材料的浪費。  
為了突破階梯流技術的局限性，人們嘗試在反應腔中加入含氯元素的矽源，並透過不斷改進最終開發出TCS等技術。目前，碳化矽外延技術已與碳化矽外延設備高度整合。 2014年，義大利LPE公司率先將TCS等技術商業化。 2017年，AIXTRON公司升級設備並將該技術移植到商用設備。  
目前，碳化矽外延設備主要由義大利的LPE公司、德國的AIXTRON公司和日本的Nuflare公司壟斷。  
    圖片4 全球碳化矽產業概況    
       

圖 5 現有碳化矽外延設備的分析

預計到 2023 年，碳化矽外延設備的複合年增長率將超過 50%。        
      圖 6 碳化矽外延設備的市場前景    
隨著新興的碳化矽外延技術的興起，這個價值數十億美元的產業可能會迎來新一輪的重組。  
             

它可能會促進我國碳化矽基板材料產業的成熟。

 
碳化矽是第三代半導體材料的典型代表。依用途不同，可分為珠寶級碳化矽材料、用於電力電子裝置的N型碳化矽材料及用於功率射頻元件的半絕緣碳化矽材料。雖然近年來珠寶級碳化矽材料和半絕緣碳化矽材料的市場成長迅速，但N型碳化矽材料才是未來市場的絕對主角。  
與珠寶級碳化矽和半絕緣碳化矽材料相比，N型碳化矽材料對晶體品質的要求更高。在這個領域，我國碳化矽基板企業與科銳（CREE）等國際一流企業之間仍有一定的差距。  
如果豐田開發的動態老化等技術能夠在我國大規模應用，無疑將大幅降低N型碳化矽基板材料的准入門檻。根據中國電子材料工業協會半導體材料分會統計，我國已啟動30多個碳化矽基板材料項目，投資超過30億元。然而，由於缺陷等技術原因，N型碳化矽基板的產能提升一直落後。如果碳化矽外延技術能夠取得關鍵性突破，將如同為我國碳化矽基板材料企業打開閘門。    
           

它可能會促進我國碳化矽元件產業的發展。

   
儘管我國已投資30多個碳化矽基板項目，但市場需求最大的6吋N型碳化矽晶圓仍嚴重依賴進口。目前，碳化矽基板和外延的成本佔碳化矽組件總成本的50%以上。如果這個問題無法解決，我國碳化矽產業與美國相比將難以具備競爭力。  
市場研究機構Yole指出，碳化矽功率電子產業發展潛力巨大，包括ROHM、龐巴迪、科銳、SDK、意法半導體、英飛凌科技、Littelfuse、Ascatron等在內的眾多廠商已投入巨資。 Yole預測，到2023年，碳化矽功率半導體市場規模預計將達到1.4億美元，2016年至2023年的複合年增長率（CAGR）為28%，2020年至2022年的複合年增長率將進一步提升至40%。     

總而言之，未來前景廣闊，但仍應鼓勵國內碳化矽產業的同仁們繼續前進。

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