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碳化硅产业简介

2022-03-10 21:03


据产业调研，目前6寸导电型衬底片的市场零售价约1000美元/片,目前4、6寸片价格是硅的60倍以上，但是由于高频、高压的性能，可以降低对无源器件的使用，这同时能节省系统成本，碳化硅的系统成本目前是硅的2-8倍。结合国际技术路线对成本考量，到2025年有望下降至500美元以下，硅基和sic基的成本差距会在2倍内，一些高电压大电流的功率器件会被碳化硅替代和渗透。衬底环节决定了碳化硅产业的发展。



碳化硅功率器件产业链分布与硅基产业链类似，其主要瓶颈集中在衬底和器件环节。碳化硅产业链主要分为衬底、外延、晶圆制造、芯片设计、模组封装、系统应用等环节，产业链分布与硅基功率器件产业链类似，部分企业向多个环节进行垂直整合（IDM）。目前，产业链瓶颈主要集中在衬底与制造工艺环节。

衬底的两种类型


碳化硅衬底按照电学性能不同分为半绝缘型衬底和导电型衬底。其中半绝缘型衬底电阻率≥105Ω〃cm，主要用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成氮化镓射频器件，主要应用于通信和国防等。
图1：衬底的两种类型

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导电型衬底电阻率区间为15-30mΩ〃cm，主要用于制作功率器件，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件，主要用于新能源汽车和光伏、风电等新能源领域。


衬底的工艺流程


碳化硅衬底长晶温度高，PVT方法长晶速度慢，是产业链的主要瓶颈之一。碳化硅衬底的制备技术主要方法为以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗工序后，最终产出碳化硅衬底。其衬底的扩径技术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体迭代扩径生长，从而获得直径达标的高质量籽晶，继而实现后续大尺寸籽晶的连续生长。

图2：衬底的制备流程

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三种技术路线


现在成熟的、主流的就是PVT，或者叫气相法，现在几乎所有知名公司都是用这种技术。

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气相生产方法是适合做外延的、适合做薄膜的一种方法，原因是它长得非常慢。现在主流的生产速度，也就是每小时大概0.2毫米。碳化硅最多也就长两个礼拜，长度大概2厘米。PVT的三大缺点，第一，长不快；第二，长不厚；第三，长不大（直径）。还有一个缺点是材料品质不太高。国际主流水平位错密度都还有每平方厘米1000个，硅只有个位数，所以碳化硅要达到硅的品质几乎不可能，因为硅是用液体液相法的熔体法。
 

基于碳化硅的这个特性，它的研发效率和生产效率都非常低。所以碳化硅一上炉子就上100台，每个摊位就制成2厘米。硅一个摊位可以拉2米甚至3米多，1台炉子顶碳化硅100台。这意味着效率太低了，最终导致碳化硅特别贵。之前讲到一个6寸大概要7500人民币，是硅的100倍。研发效率低100倍，成本高100倍，所以这个是可以理解的。这个就是它的瓶颈。

总的来讲，PVT现在比较成熟，还在不断完善。成本每年以10%的速度下降，但是它即便经过10年之后，它的成本最多能降到现在的一半，还是很贵。未来液相法成熟，也会进入市场。也许接下来气相法肯定会被淘汰，液相法成为产业化的主流。当然，这期间也可能出现新的技术。


本文作者：嘉合基金权益研究部 杨峻松

内容仅供参考，不构成投资建议，市场有风险，投资需谨慎。



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