中國粉體網訊  近日，住友礦山表示，計劃量產新一代碳化硅功率半導體晶圓，而且會使用自主研發(fā)的最新技術將價格降低10%到20%。住友礦山希望憑借這種新型SiC晶圓搶占美國Wolfspeed（前身為科銳，CREE）等企業(yè)的市場，使全球份額占比達到10%。

（圖片來源：住友礦山官網）

要知道，Wolfspeed可是SiC襯底的絕對龍頭，手握全球五成SiC晶圓產能，擁有世界最大的SiC晶圓廠，它早早宣布了10億美元的擴產計劃，在去年上市、改名，將業(yè)務進一步聚焦于SiC等第三代半導體。根據(jù)從事專利分析的日本Patent Result所整理出的數(shù)據(jù)，在與SiC有關的專利方面，Wolfspeed持有的專利數(shù)量最多，住友電工位列第三（該公司與住友礦山同為住友集團的核心企業(yè)）。

除了Wolfspeed外，II-VI、羅姆等也紛紛表態(tài)，要大力開拓SiC晶圓業(yè)務。群狼環(huán)伺SiC，住友礦山的底氣從何而來？

首先我們來了解一下碳化硅器件這個“明星級產品”。

SiC功率器件已逐步滲透到生活中的方方面面

以碳和硅組成的化合物半導體碳化硅（Silicon Carbide）為材料制作的功率半導體器件，因其所具備的優(yōu)異性能與先進性，多年來一直作為“理想的元器件”而備受矚目。SiC功率元器件現(xiàn)已逐漸成為我們現(xiàn)代日常生活中所普遍使用的“身邊的”元器件。

（圖片來源：基本半導體）

例如，家庭里的SiC有PC電源、太陽能發(fā)電功率調節(jié)器（家庭用）、空調等；工業(yè)中的SiC有數(shù)據(jù)中心、UPS、工廠搬運機器人、高頻感應加熱設備（IH）與高頻電源、太陽能發(fā)電功率調節(jié)器（太陽能發(fā)電站等非家庭用）等；城市里的SiC有電動汽車（車載充電器）、快速充電站、發(fā)電機、醫(yī)療診斷設備等。

SiC功率器件的應用領域及優(yōu)勢

此外，碳化硅器件在航空航天、核能等極端工作環(huán)境中有也著不可替代的優(yōu)勢。

關鍵技術——碳化硅單晶

碳化硅器件性能非常突出，但其生產過程可謂是困難重重。其產業(yè)鏈貫穿了材料、芯片設計、制造工藝等各個環(huán)節(jié)。相對傳統(tǒng)硅基技術而言，寬禁帶功率器件由于采用了SiC半導體材料，在各關鍵技術環(huán)節(jié)也會遇到新的問題與挑戰(zhàn)。

SiC半導體功率器件產業(yè)鏈

從技術的角度來說，與硅基功率器件制作工藝不同，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，需要在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，最后在外延層上制造各類器件。傳統(tǒng)的碳化硅外延基于高品質碳化硅單晶襯底，以實現(xiàn)晶格匹配和降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）。

即是說，制備出性能優(yōu)良的碳化硅單晶襯底是產業(yè)鏈上極為關鍵的一環(huán)！

（圖片來源：天岳先進）

襯底是功率器件的基礎。由于目前Si基功率器件生產廠商的大部分生產線支持4英寸以上的晶圓，因此4、6英寸及以上SiC襯底技術的成熟是SiC功率器件在所有重要領域大規(guī)模應用的前提條件。

SiC晶片（襯底）制備方法

SiC單晶制備又是襯底的基礎。碳化硅單晶制備技術包括PVT法（物理氣相傳輸法）、溶液法和高溫氣相化學沉積法等，目前商用碳化硅單晶生長均采用PVT法。PVT法制備碳化硅單晶的難度在于：

①碳化硅單晶生長設備設計與制造技術。碳化硅長晶爐是晶體制備的載體，也是晶體生長核心技術中的熱場和工藝的重要組成部分。針對不同尺寸、不同導電性能的碳化硅單晶襯底，碳化硅長晶爐需要實現(xiàn)高真空度、低真空漏率等各項性能指標，為高質量晶體生長提供適合的熱場實現(xiàn)條件。

②碳化硅粉料合成過程中的環(huán)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。

③碳化硅單晶在2300°C以上高溫的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。

④碳化硅單晶包括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(wěn)定控制，例如目前主流的4H型。

⑤碳化硅單晶生長熱場存在溫度梯度，導致晶體生長過程中存在原生內應力及由此誘生的位錯、層錯等缺陷。

⑥碳化硅單晶生長過程中需要嚴格控制外部雜質的引入，從而獲得極高純度的半絕緣晶體或定向摻雜的導電型晶體。對于射頻器件使用的半絕緣碳化硅襯底，電學性能需要通過控制晶體中極低的雜質濃度及特定種類的點缺陷來實現(xiàn)。

⑦碳化硅襯底作為莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料，加工過程中存在易開裂問題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質量問題；為了達到下游外延開盒即用的質量水平，需要對碳化硅襯底表面進行超精密加工，以降低表面粗糙度、表面平整度并達到嚴苛的金屬、顆粒控制要求。

物理氣相傳輸法生長碳化硅晶體示意圖

碳化硅單晶制備技術的高難度特性無疑會限制了產品良率，增加了生產成本，進而影響了其最終價格，這也是為什么碳化硅器件價格高居不下的主要原因。

住友礦山向世界龍頭發(fā)起的挑戰(zhàn)

既然碳化硅單晶襯底制備的成本非常高，那么，誰能掌握較低生產成本的技術便可以在市場競爭中占據(jù)主動地位。

對此，住友礦山的做法是，通過在結晶不規(guī)則而價格較低的“多晶SiC(而非昂貴的單晶碳化硅)”上貼一層可以降低發(fā)電損耗的“單晶SiC”，合成一片晶圓。與基于碳化硅單晶襯底的傳統(tǒng)SiC功率半導體相比，其價格低10%-20%。另外，純電動汽車的逆變器采用SiC功率半導體時，可以降低電力損耗，與此類現(xiàn)有產品相比，住友礦山的新晶圓能將電力損耗進一步降低10%左右。

一直以來，基于SiC單晶生長技術的不斷發(fā)展，以Wolfspeed、DowCorning、SiCrystal、II-VI公司為首的單晶襯底企業(yè)不斷侵占市場份額(我國廠商天岳先進已成為該領域世界前三)，成為單晶襯底行業(yè)的風向標。尤其是Wolfspeed公司，目前它在該領域占據(jù)了50%以上的市場份額，其在2010年便發(fā)布6英寸SiC單晶襯底試樣，并于2013年推出商品化6英寸SiC單晶襯底，2015年在ICSCＲM國際會議上展示了其8英寸SiC單晶襯底試樣，于2019年10月在紐約州立理工學院奧爾巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圓樣品的制備。另外一家成功研制8英寸SiC單晶襯底的公司是II-VI Advanced Materials。

在非常高端的碳化硅半導體領域，高售價讓碳化硅器件的應用推廣在一定程度上受阻。盡管住友礦山目前還無法威脅到Wolfspeed“江湖老大”的地位，但如果其真能做到將碳化硅同類產品價格降低10%到20%，那將會撼動整個碳化硅半導體市場，“無利不起早，百事利當先”的道理誰會不懂？

參考來源：

[1]住友礦山將量產新一代碳化硅功率半導體晶圓.中國電子報

[2]陳堯等.國內外碳化硅功率器件發(fā)展綜述

[3]閆美存等.碳化硅功率器件的關鍵技術及標準化研究

[4]HAFOM.碳化硅半導體SiC在功率器件領域的應用

[5]天岳先進招股說明書

（中國粉體網編輯整理/山川）

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