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半導體技術有限公司于2018年9月21日在廣州南沙自貿區(qū)成立，是一家集碳化硅單晶材料研發(fā)、生產與銷售于一體的國家高新技術企業(yè)；目前產品包括6英寸、8英寸N型碳化硅產品以及6英寸半絕緣型碳化硅產品。

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公司以山東大學近年來研發(fā)的最新碳化硅單晶生長和襯底加工技術成果為基礎，同山東大學開展全方位產學研合作。

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主要從碳化硅概述、8英寸SiC的優(yōu)勢、市場需求、發(fā)展狀況、制備難點以及制備過程等方面給大家做了詳細介紹。楊總指出我國8英寸SiC發(fā)展進入快車道；需要上下游通力合作，搶抓機遇，提升國產8英寸SiC材料和器件的技術成熟度搶占市場份額，實現(xiàn)國產化。目前我們搭建有碳化硅產業(yè)鏈交流群，歡迎大家識別下方二維碼，關注公眾號，通過底部菜單申請加入。

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? 一、? ? ?碳化硅概述

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1、? ? ?碳化硅的發(fā)展由來

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被譽為世界上第4大重要發(fā)明的半導體，其重要性不言而喻。生活中的手機、電視、電腦、汽車等電子產品、設備都與半導體無不相關。而半導體產業(yè)的基礎是半導體材料，隨著半導體產業(yè)的發(fā)展,半導體材料也在逐漸發(fā)生變化,已經從第一代半導體材料過渡到第三代半導體材料。

半導體材料發(fā)展趨勢

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第三代半導體材料又被稱為寬禁帶高溫半導體材料，主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）等，優(yōu)點是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發(fā)光效率高、頻率高，不會產生砷化鎵（GaAs）、鎵離子、銦離子等污染物，常用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

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2、碳化硅的應用

N型碳化硅襯底產品的應用

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半絕緣型碳化硅襯底產品的應用

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2011年，科銳（Cree，已更名為Wolfspeed）公司推出全球首款碳化硅功率半導體——SiC MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。5年后，特斯拉發(fā)布第四款車型Model 3, 該車型的主逆變器安裝了24個意法半導體（ST）公司生產的SiC MOSFET功率模塊。此后，SiC不僅成為半導體廠商激烈涌進的熱門賽道，也在全球新能源車市場加速上車。

SiC MOSFET與Si基IGBT相比主要有減少整車重量，降低成本以及降低損耗，提升續(xù)航能力的優(yōu)勢，所以在新能源汽車上有著應用優(yōu)勢，主要應用在主驅逆變器、車載充電系統(tǒng)、電源轉化系統(tǒng)等，隨著新能源市場規(guī)模的增長，將會帶動碳化硅器件的需求增長，據(jù)預測，到2025年中國新能源車SIC/GAN市場規(guī)模將達到45.9億元。

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新能源汽車用功率器件市場規(guī)模預測

?3、市場規(guī)模

全球碳化硅襯底市場規(guī)模?單位:?億美元

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據(jù)預測全球SiC功率器件市場規(guī)模到2026年將達到45億美元，2020年到2026年的年復合增長率將達到36%。

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據(jù)預測全球SiC射頻器件市場規(guī)模到2026年將達到22.2億美元，2020年到2026年的年復合增長率將達到17%。

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數(shù)據(jù)來源Yole

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在新能源產業(yè)強勁需求下，全球SiC產業(yè)步入高速成長期，SiC襯底目前整體處于供不應求的狀態(tài)。

二、?8英寸SiC

1、?8英寸SiC優(yōu)勢

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相比于6英寸襯底，同等條件下從8英寸襯底切出的芯片數(shù)會提升將近90%。相比于6英寸襯底，8英寸單片襯底制備的器件成本降低30%左右。

數(shù)據(jù)來源wolfspeed

?2、8英寸SiC市場需求

按晶圓尺寸劃分的SiC襯底市場?數(shù)據(jù)來源CASA

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2020-2030年SiC市場尺寸需求占比 數(shù)據(jù)來源CASA

?3、8英寸SiC發(fā)展狀況

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Cree?200mm?SiC襯底應力圖

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全球首家8inch SiC晶圓制造廠是Wolfspeed，于2022年4月建成投產。

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2017年II-VI?的200mm?SiC

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業(yè)界將SiC產業(yè)鏈降本增效目標鎖定在8英寸襯底上。國外大廠：加速推進，產能提升，搶占先機；

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2022年，Wolfspeed率先量產8英寸SiC襯底，投資13億美元，在北卡羅來納州新建8英寸SiC襯底工廠，使SiC產能增加10倍以上；

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2022年，II-VI擴建賓夕法尼亞工廠，投資64億元，襯底產能增加6倍2027年年產100萬片；

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2022年，ST在意大利卡塔尼亞新建SiC襯底工廠，總投資7.3億歐元，年產能37萬片以上，實現(xiàn)40%的自主供應；

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2022年，Onsemi 哈德遜SiC工廠完成擴建，襯底產能擴充5倍，制備出8寸襯底樣品，25年規(guī)模出貨；

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2022年，日本的昭和電工、Mipox等共同發(fā)起了8英寸SiC襯底項目，總預算約為258億日元(約14億元人民幣)；

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2022年，英飛凌將大幅擴建其位于馬來西亞居林的工廠，從而建成世界上最大的?8英寸SiC功率晶圓廠

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國內8英寸進展：

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從2022年開始，目前已有十余家企業(yè)與機構公布8英SiC襯底開發(fā)成功，處于研發(fā)或小批量驗證階段，急需提升技術成熟度，加快量產進程。

山東大學SiC的研發(fā)歷程

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4、8英寸4H-SiC晶體制備難點

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為應對這些難點，南砂晶圓通過自主研發(fā)設備提高制備良率。單晶爐已更迭到第五代，第五代專用于8英寸生長。

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5、 制備過程

8英寸SiC籽晶制備

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溫場、流場及其演化，設計合適的溫場及邊界條件，實現(xiàn)大尺寸SiC單晶襯底熱應力控制。

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大尺寸體系下溫場/流場耦合研究，控制晶體生長界面連續(xù)，促進穩(wěn)定的臺階流生長。

8英寸單晶襯底制備

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制備了8英寸導電型4H-SiC晶體，加工出了8英寸4H-SiC村底。經拉曼測試，無6H和15R等多型，4H晶型面積比例達到100%，實現(xiàn)了8英寸4H-SiC單一晶型控制。

8英寸導電型4H-SiC襯底微管分布

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繼續(xù)送代優(yōu)化，減少了6英寸以外的擴徑區(qū)域的微管缺陷數(shù)量，8英寸村底微管密度穩(wěn)定控制在0.1cm-2以下與6英寸襯底量產水平一致。

8英寸襯底電阻率均勻性

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8英寸導電型4H-SiC襯底電阻率分布

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迭代優(yōu)化溫場均勻性，提升摻雜均勻性，8英寸SiC襯底電阻率均勻性進一步提升。

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8英寸襯底結晶質量

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(004)衍射面的5點搖擺曲線均為近對稱的單峰，半峰寬平均值32.7弧秒，應力均勻分布，表明8英寸SiC襯底具有良好的結晶質量。

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8英寸襯底位錯缺陷

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8英寸SiC村底要實現(xiàn)量產，提升市場份額，需要進一步降低位錯缺陷密度，尤其是對器件性能影響較大的TSD和BPD。

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生長腔溫度梯度產生的熱應力、籽晶表面狀態(tài)和N濃度富集等原因導致位錯增殖；

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位錯間相互作用或轉化導致其合并或湮滅。

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8英寸襯底：OTSD缺陷

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8英寸襯底BPD缺陷控制

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8英寸村底?(500um)面型參數(shù)控制

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面型參數(shù)控制(350um8英寸襯底

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8英寸半絕緣SiC襯底制備

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南砂晶圓基于山東大學在半絕緣SiC襯底方面研究特色，開展了8英寸半絕

緣SiC單晶生長研究探索工作，制備出了不開裂的8英寸半絕緣SiC單晶襯底，整片面積電阻率大于1E10Ω·cm。

?三、結論

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導體網）：南砂晶圓：八英寸SiC單晶的研究進展