純國產高品質SiC外延片投產，SiC外延片量產新時代或將到來

2022年11月23日——希科半導體科技（蘇州）有限公司于蘇州納米科技城召開碳化硅（SiC）外延片投產新聞發布會。會上公司創始人、總經理呂立平宣布公司用國產襯底和國產外延設備生產的6英寸SiC外延片，已于近期通過兩大權威機構的雙重檢測，具備媲美國際大廠SiC外延片的品質，為我國碳化硅行業創下了一個毫無爭議的新紀錄，就此希科半導體碳化硅外延片正式投產!

蘇州工業園區黨工委委員、管委會副主任倪乾，蘇州納米城科技發展有限公司董事、總裁張淑梅、中國電子材料協會副理事長袁桐，南京大學教授、固體微機構物理國家重點實驗室主任陳延峰、中國冶金自動化研究設計院教授級高級工程師高達，以及來自碳化硅領域的產業投資人、客戶以及諸多產業上下游代表共同應邀出席了當天的發布會，共同見證了中國碳化硅產業界這一歷史時刻。

希科半導體成立于2021年8月，坐落于蘇州納米城III區第三代半導體產業園，是一家致力于發展第三代半導體碳化硅(SiC)材料的高科技公司。作為蘇州納米城引入的第三代半導體重要項目，其團隊擁有多年的碳化硅外延晶片(SiC Epitaxy)開發和量產制造經驗，憑借業內最先進的外延工藝技術和最先進的測試表征設備，秉持質量第一誠信為本的理念為客戶提供滿足行業對低缺陷率和均勻性要求的6吋n型和p型摻雜外延晶片材料，是國內最早從事SiC技術研發和產業化的技術人才，擁有多項發明專利和實用新型專利。

當前，半導體設備成為中國高科技產業國產化的“卡脖子”環節之一，如何實現關鍵技術突破，加速國產化替代進程，成為近年來中國半導體行業面臨的重要課題，此次希科半導體在SiC外延片上實現純國產研發方面的突破性進展，有力提升了國內企業振興國產半導體產業的信心，也意味著我國第三代半導體產業鏈綜合實力的進一步提升。


碳化硅性能優勢

碳化硅襯底的使用極限性能優于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求，當前碳化硅襯底已應用于功率器件及功率器件。碳化硅器件優點如下：

（1）耐高壓。擊穿電場強度大，是硅的 10 倍，用碳化硅制備器件可以極大地提高耐壓容量、工作頻率和電流密度，并大大降低器件的導通損耗。所以在實際應用過程中，與硅基相比可以設計成更小的體積，約為硅基器件的 1/10。

（2）耐高溫。半導體器件在較高的溫度下，會產生載流子的本征激發現象，造成器件失效。禁帶寬度越大，器件的極限工作溫度越高。碳化硅的禁帶接近硅的 3 倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性。硅器件的極限工作溫度一般不能超過 300℃，而碳化硅器件的極限工作溫度可以達到 600℃以上。同時，碳化硅的熱導率比硅更高，高熱導率有助于碳化硅器件的散熱，在同樣的輸出功率下保持更低的溫度，碳化硅器件也因此對散熱的設計要求更低，有助于實現設備的小型化。

（3）實現高頻的性能。碳化硅的飽和電子漂移速率大，是硅的 2 倍，這決定了碳化硅器件可以實現更高的工作頻率和更高的功率密度。同時碳化硅襯底材料能量損失更小。在相同的電壓和轉換頻率下，400V 電壓時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的 29%-60%之間；800V 時，碳化硅MOSFET逆變器的能量損失約為硅基IGBT能量損失的 30%-50%之間。因此碳化硅器件的能量損失更小。


碳化硅外延

當前外延主要以 4 英寸及 6 英寸為主，大尺寸碳化硅外延片占比逐年遞增。碳化硅外延尺寸主要受制于碳化硅襯底尺寸，當前 6 英寸碳化硅襯底已經實現商用，因此碳化硅襯底外延也逐漸從 4 英寸向 6 英寸過渡。在未來幾年里，大尺寸碳化硅外延片占比會逐年遞增。由于 4 英寸碳化硅襯底及外延的技術已經日趨成熟，因此，4 英寸碳化硅外延晶片已不存在供給短缺的問題，其未來降價空間有限。此外，雖然當前國際先進廠商已經研發出 8 英寸碳化硅襯底，但其進入碳化硅功率器件制造市場將是一個漫長的過程，隨著 8 英寸碳化硅外延技術的逐漸成熟，未來可能會出現 8 英寸碳化硅功率器件生產線。

碳化硅外延主要解決外延晶片均勻性控制和外延缺陷控制兩大問題。

（1）外延晶片均勻性控制方面，由于外延片尺寸的增大往往會伴隨外延晶片均勻性的下降，因此大尺寸外延晶片均勻性的控制是提高器件良率和可靠性、進而降低成本的關鍵。

（2）外延缺陷控制問題。基晶面位錯（BPD）是影響碳化硅雙極型功率器件穩定 性的一個重要結晶缺陷，不斷降低 BPD 密度是外延生長技術發展的主要方向。由于物理氣象傳輸法（PVT）制 備碳化硅襯底的 BPD 密度較高，外延層中對器件有害的 BPD 多來自于襯底中的 BPD 向外延層的貫穿。因此，提高襯底結晶質量可有效降低外延層 BPD 位錯密度。

隨著碳化硅器件的不斷應用，器件尺寸及通流能力不斷增加， 對結晶缺陷密度的要求也不斷增加，在未來技術的進步下，碳化硅外延片結晶缺陷密度會隨之不斷下降。

作為新一代通信、新能源汽車、高速列車等新興戰略產業的核心材料，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體在《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》中被列為重點。

碳化硅6英寸晶圓產能處于飛速擴張期，同時以Wolfspeed、意法半導體為代表的頭部廠商已經達產8吋碳化硅晶圓。國內廠商如三安、山東天岳、天科合達等廠商主要以6吋晶圓為主，相關項目20余個，投資逾300億元；國產8吋晶圓技術突破也正迎頭趕上。得益于電動汽車及充電基礎設施的發展，預計2022-2025年間碳化硅器件的市場增長率將達30%。襯底未來幾年內依然是碳化硅器件的主要產能限制因素。

氮化鎵器件目前主要由快充功率市場和5G宏基站和毫米波小基站射頻市場驅動。GaN射頻市場主要由Macom、Intel等占據，功率市場有英飛凌、Transphorm等。近來年，國內企業如三安、英諾賽科、海威華芯等也在積極布局氮化鎵項目。另外，氮化鎵激光器件快速發展。GaN半導體激光器在光刻、存儲、軍事、醫療等領域均有應用，目前年出貨量在3億支左右，并且近期以20%的年增長率進行增長，預計2026年市場總量達到15億美元。