碳化硅:第三代化合物半导体大势所趋

1.1、 什么是碳化硅?
碳化硅是第三代化合物半导体材料。半导体产业的基石是芯片,制作芯片的核心材料按照历史进程分为:第一代半导体材料(大部分为目前广泛使用的高纯度硅),第二代化合物半导体材料(砷化镓、磷化铟),第三代化合物半导体材料(碳化硅、氮化镓) 。碳化硅因其优越的物理性能:高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率,将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。半导体芯片分为集成电路和分立器件,但不论是集成电路还是分立器件,其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件” 结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。

碳化硅晶片作为半导体衬底材料,经过外延生长、器件制造等环节,可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件,是第三代半导体产业发展的重要基础材料。

根据电阻率不同,碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型。其中,导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件,市场规模较大;半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域,随着 5G 通讯网络的加速建设,市场需求提升较为明显。

碳化硅生产工艺流程:

碳化硅晶片是以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料,采用物理气相传输法(PVT) 生长碳化硅晶体,加工制成碳化硅晶片。
①原料合成。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在 2,000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。
②晶体生长。以高纯度碳化硅微粉为原料,使用自主研制的晶体生长炉,采用物理气相传输法(PVT 法)生长碳化硅晶体。其生长原理如下图所示:

将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部,通过电磁感应将坩埚加热至 2,000℃以上,控制籽晶处温度略低于下部微粉处,在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的 Si2C、 SiC2、 Si 等物质,在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处,并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。

③晶锭加工。将制得的碳化硅晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。
④晶体切割。使用多线切割设备,将碳化硅晶体切割成厚度不超过 1mm 的薄片。
⑤晶片研磨。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。
⑥晶片抛光。通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。
⑦晶片检测。使用光学显微镜、 X 射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。
⑧晶片清洗。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干;将晶片在超净室封装在洁净片盒内,形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。
晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供 4 英寸至 6英寸碳化硅晶片, CREE、 II-VI 等国际龙头企业已开始投资建设 8 英寸碳化硅晶片生产线。
1.2、 新能源汽车将驱动碳化硅产业快速成长
1.2.1、 碳化硅器件应用领域广泛,新能源汽车驱动碳化硅快速增长
碳化硅晶片经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。以碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件具备高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、抗辐射能力强等优点,可广泛应用于新能源汽车、 5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域,在我国“新基建”的各主要领域中发挥重要作用。
功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一,广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心,功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制,管理着全球超过 50%的电能资源,广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等国家经济与国民生活的方方面面,是工业体系中不可或缺的核心半导体产品。
现有的功率器件大多基于硅半导体材料,由于硅材料物理性能的限制,器件的能效和性能已逐渐接近极限,难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求,在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。经过近 30 年研究和开发,碳化硅衬底和功率器件制造技术在近年逐步成熟,并快速推广应用,正在掀起一场节能减排和新能源领域的巨大变革。碳化硅功率器件的应用领域如下图所示:

新能源汽车是碳化硅最重要的下游应用。新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势逐步清晰化。根据现有技术方案,每辆新能源汽车使用的功率器件价值约 700 美元到 1000 美元。随着新能源汽车的发展,对功率器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的增长点。
新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括:电机驱动系统、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器,能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本,提高功率密度。美国特斯拉公司的 Model 3车型采用以 24 个碳化硅 MOSFET 为功率模块的逆变器,是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商;碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统,能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率,目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件;碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩,可以减小充电桩体积,提高充电速度。
其他应用领域也包括光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业
电源及航空航天等领域。

伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的快速发展,功率器件的使用需求大幅增加。根据 IC Insights 数据, 2018 年全球功率器件的销售额增长率为 14%,达到 163 亿美元。未来,随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展,全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。IC Insights预计 2018 至 2023 年期间,全球功率器件的销售额复合年增长率达到 3.3%,2023 年全球功率器件收入将达到 192 亿美元。根据 IHS Markit 数据, 2018年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元,受新能源汽车庞大需求的驱动,以及电力设备等领域的带动,预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元,碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。

1.3、 射频功率器件为碳化硅材料应用的另一重要领域

微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件,是无线通讯的核心,主要包括射频开关、 LNA、功率放大器、滤波器等器件,其中,功率放大器是放大射频信号的器件,直接决定移动终端和基站的无线通信距离、信号质量等关键参数。
5G 通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势,突破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷,能够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求,碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。


随着全球 5G 通讯技术的发展和推广, 5G 基站建设将为射频器件带来新的增长动力。据 Yole Development 预测, 2025 年全球射频器件市场将超过250 亿美元,其中射频功率放大器市场规模将从 2018 年的 60 亿美元增长到
2025 年的 104 亿美元,而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着 5G 市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长,半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

5G 基站对碳化硅衬底仍有较大需求。中国是 5G 建设的全球领先国家,根据赛迪智库 2018 年预测,我国未来计划建设 360 万台-492 万台 5G 宏基站,是 4G 宏基站的 1.1-1.5 倍。根据中国电子信息产业研究院数据, 当前我国已经建设的 5G 宏基站约为 40 万台,未来仍有较大成长空间。

碳化硅基氮化镓外延射频功率器件市场规模快速增长。根据 Yole 和CREE 预测, 受益 5G 的普及与 5G 基站的建设, 碳化硅基氮化镓外延功率器件市场规模将从 2018 年 6.45 亿美金增长到 2024 年的 20 亿美金,年均复合增速达 20.76%, 2027 年市场规模有望达到 35 亿美金。

来源:光大证券 半导体在线

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