碳化硅行业研究:同质外延SiC需求广阔掘金百亿高成长赛道.docx
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1、材料是半导体产业发展基石,不断涌现新的材料体系。第一代半导体兴起于20世纪50年代, 是以Si. Ge为代表的单质半导体。其中,硅基半导体材料发展时间长、制备工艺复杂度低、技 术成熟度高,在电子信息、新能源、光伏等领域运用广泛。但是,这类材料带隙较窄、电子迁移 率和击穿电场较低,在光电子领域、高频高功率器件方面应用受到明显限制.第二代半导体兴起 于20世纪90年代,移动通信的飞速发展推动了以碑化钱(GaAs )、睇化锢(InSb )为代表 的化合物半导体材料的发展.这类材料相较第一代半导体材料,更适合制作高速、高频、大功率 以及发光电子器件,在微波通讯、光通讯等领域 有广泛应用。但是,第二代半
2、导体材料存在资源 稀缺、价格高昂、材料本身具有毒性,以及可能造成环境污染等问题,使其在应用上同样具有局 限性。第三代半导体兴起于21世纪,与前两代半导体材料相比,以SiC与GaN为代表的第 三代半导体材料具有更宽的禁带(2.3eV),更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速 率及更高的抗辐射能力.同时,SiC材料更有效克服了资源稀缺、毒性、环境污染等问题,在高 压、高频、高温、高功率等领域具有更强的适用性.图1:三代半导体材料第三代(2KM):三代半导体材料在特定的应用场景中存在各自比较优势。硅基半导体材料由于储量丰富、价格低 的特点,目前是产量最大、应用最广的半导体材料,90%以上的半
3、导体产品为硅基,主要应用于 低压、低频、低功率的晶体管和探测器中;碎化钱半导体材料广泛应用于光电子和微电子领域, 是制作半导体发光二极管的关键衬底材料;对于工作频段更高、输出功率要求更高的器件,第三 代半导体是更好的选择,主要应用于5G通信、国防和新能源汽车领域。第三代半导体主要包括 SiU氮化物、氧化物和金刚石等.其中,SiC和GaN是第三代半导体中应用最广的两类材料, 两者工艺最为成熟,且在产业化上推进最快。GaN与SiC这两种宽禁带半导体材料间也存在明显差异.(1 )二者的适用电压不同因而目标应 用也不同:SiC适用的电压范围为650 V-3.3 kV,是120OV以上的高频器件,同时兼
4、有功率密 度高的特点。因此,SiC在太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、燃料电池中的高速空气 压缩机、DCDC、电动汽车电机驱动、数字化趋势下的数据中心等领域都有着广泛应用.相比SiC, GaN的适用电压范围更低,一般从中压80 V到650 Ve (2)二者在热导率上的较大差异,使 得SiC在高功率应用中几乎占据统治地位:由于SiC的热导率是GaN的近4倍,高热导率有 助于功率器件的散热,在同样的输出功率下可以保持更低的温度,从而有效避免半导体器件在高 温下因出现载流子的本征激发,而导致器件失效。而且,材料更高的热导率会使得器件对散热设 计的要求更低,从而助力设备的小型化。(3 )高电子迁
5、移率和电子饱和速度让GaN在高频率应 用中更占优:GaN相比Si和SiC更高的电子迁移率和电子饱和速度另其具有更高的开关速度 (可达MHZ级),因而 在开关频率最高的中等功率应用(如快充等)中更具优势。此外,在光 电子领域,GaN在Micro-LED.深紫外LED等热门赛道同样表现优异.当然,SiC和GaN在 应用端各具优势的同时,亦能有效合作:在微波射频领域,通过在半绝缘SiC衬底上外延生长氮 化钱,可以制备SiC基GaN-HEMTe这是现今制造5G基站功率放大器最重要的材料.整体上SiC的商用更加成熟,而GaN市场则处于起步阶段.从2010年IR发布业界第一款 硅基GaN开关器件到现在,业
6、界对GaN的研究已经深入了很多,但真正大规模的应用仍局限 于最近数年。相比GaN市场,从1970年代便开始功率器件的研发,1980年代晶体质量和制 造工艺获得大幅改进,90年代末开始加速发展的SiC市场,运行的时间要长得多,现存器件数量要大得多,也因而更为成熟。根据Yole的测算(转引自新材料在 线),截至2021年,全球 半导体材料市场,GaN的渗透率仅0.17% ,而SiC的渗透率为1.98%.本文的后续研究将聚焦 于SiC行业.SiC产业链全景:衬底技术密集,外延承上启下碳化硅半导体器件生产工序主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、模块封装 和终端应用等环节。碳化硅高纯粉料
7、是采用PVT法生长破化硅单晶的原料,其 产品纯度直接影 响破化硅单晶的生长质量以及电学性能。单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基 片。外延是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶薄膜的碳化硅片 或者氮化锈外延层。图4:球化硅半导体总件生产工序碳化较粉末(1)衬底环节:PVT法是SiC晶体生长主流方法,且对应的SiC衬底可分为半绝缘 型和导电 型两类。高纯SiC粉体生产主要是在高温下(2000。C以上)反应合成能满足晶体 生长要求的高 纯SiC微粉原料。粉体的纯度将直接影响SiC单晶的生长质量及电学性能。SiC晶体生长方法 主要有物理气相传输法(PVT法)、高温
8、化学气相沉积法(CVD法)、顶 部籽晶溶液生长法(TSSG 法)等0其中,目前大规模产业化中主要采用PVT法.单晶衬底是半导体的支撑材料、导电材 料和外延生长基片0单晶衬底加工是通过对SiC晶体整形加工、切片加工、晶片研磨、抛光、检 测、清洗等一系列机加工工序,制得透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC衬底的过程。SiC 衬底可分为半绝缘型和导电型两类.半绝缘 型衬底主要通过去除晶体中的各种杂质(尤其是浅能级杂质),来实现晶体本征高电阻率,而导电型衬底则是通过在晶体生长过程中引入氮元素,来 实现低晶体电阻率。难点上看:生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长,也是破化硅半导体材料应 用的主要
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