碳化硅外延技术突破或改变产业格局

我国碳化硅产业或迎来史诗级利好

进入2021年以来，在碳化硅外延领域，国内外企业纷纷捷报连连。

2021年3月1日，日本丰田通商株式会社正式宣布成功开发出一种表面纳米控制技术——Dynamic AGE-ing。该技术可以让任何尺寸、任意供应商的SiC衬底的BPD（基平面位错）降低到1以下。

图1 丰田Dynamic AGE-ing技术 图1 丰田Dynamic AGE-ing技术

无独有偶，2021年3月3日，瀚天天成电子科技(厦门)有限公司发布消息称，突破了碳化硅超结深槽外延关键制造工艺。

图2 碳化硅超结深槽外延关键制造工艺

碳化硅外延是碳化硅产业链中的重要一环。如今碳化硅外延技术的发展步入快车道，会对整个碳化硅外延生态圈产生什么影响呢？请容我一一道来。

或将改变国际碳化硅外延产业格局

碳化硅产业链主要分为晶片制备、外延生长、器件制造、模块封测和系统应用等几个重要的环节。其中外延生长是承上启下的重要环节，具有非常关键的作用。

图3 碳化硅产业链

因为现有器件基本都是在外延层上实现的，所以对外延层质量的要求就非常之高。而且随着耐压性能的不断提高，所要求的外延层的厚度就越厚。一般电压在600V左右时，所需要的外延层厚度约在6微米左右；电压在1200-1700V之间时，所需要的外延层厚度就达到10-15微米。如果电压达到一万伏以上时，可能就需要100微米以上的外延层厚度。而随着外延层厚度的不断增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。

目前，碳化硅外延的主流技术包括斜切台阶流技术和TCS技术等等。

所谓斜切台阶流技术即切割碳化硅衬底时切出一个8°左右的偏角。这样切出的衬底表面处产生很高的台阶流密度，从而容易实现晶圆级碳化硅外延。目前，斜切台阶流技术已经比较成熟。但是该技术也有两个缺陷：一是该技术无法阻断基平面位错；二是该技术会对衬底材料造成浪费。

为了突破台阶流技术的限制，人们又尝试在反应腔中加入含氯元素的硅源，最终通过不断地完善开发出TCS等技术。目前，碳化硅外延技术已与碳化硅外延设备高度融合。2014年，TCS等技术由意大利LPE公司最早实现商业化，在2017年AIXTRON公司对设备进行了升级改造，将这个技术移植到了商业的设备中。

目前，碳化硅外延设备主要由意大利的LPE公司、德国AIXTRON公司以及日本Nuflare公司所垄断。

图4 全球碳化硅产业格局

图5 现有碳化硅外延设备分析

预计到2023年碳化硅外延设备的年复合增长率有望超过50%。

图6 碳化硅外延设备市场前景

随着新兴碳化硅外延技术的崛起，这个几十亿规模的产业或将迎来新一轮的洗牌。

或将催熟我国碳化硅衬底材料产业

碳化硅是第三代半导体材料的典型代表，按照用途不同，可以分成珠宝级碳化硅材料、电力电子器件用N型碳化硅材料和功率射频器件用半绝缘碳化硅材料。虽然，近年来珠宝级碳化硅材料和半绝缘碳化硅材料的市场增长迅猛，但是N型碳化硅材料才是未来市场绝对的主角。

相对于珠宝级碳化硅和半绝缘碳化硅材料，N型碳化硅材料对晶体质量的要求更高。在该领域，我国碳化硅衬底企业与CREE公司国际一流企业还存在一定的差距。

如果诸如丰田研发的Dynamic AGE-ing等技术可以大规模在我国应用，那么N型碳化硅衬底材料的入场门槛无疑将会大幅度降低。据中国电子材料行业协会半导体材料分会统计，我们已经上马了30多个碳化硅衬底材料项目，投资已超300亿元。但是因为缺陷等技术原因，N型碳化硅衬底的产能迟迟不能释放。如果碳化硅外延技术获得关键突破，对我国碳化硅衬底材料企业而言，这无异于开闸放水。

或将推动我国碳化硅器件产业

虽然我国投资的碳化硅衬底项目已经有30多个，但是市场需求量最大的6英寸N型碳化硅晶片依然严重依赖进口。碳化硅衬底和外延的成本目前占到碳化硅模块总成本的50%以上，如果该问题不得到解决，我国碳化硅产业相比于美国很难有什么太大的竞争力。

市场研究单位Yole指出，碳化硅电力电子产业发展具高度潜力，包括ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、Infineon Technologies、Littelfuse、Ascatron等厂商都大力投入。Yole预测到2023年SiC功率半导体市场规模预计将达14亿美元，2016年至2023年间的复合成长率(CAGR)为28%，2020~2022年CAGR将进一步提升至40%。

总而言之，未来前景广阔，但是国内各位碳化硅业界同仁还应勉励向前。

来源：半导体材料行业分会