功率半导体材料分析
2022-01-21
来源： 半导体行业观察
硅基、碳化硅基的认识
全球半导体硅片行业市场集中度很高，主要被日本、德国、韩国、中国台湾等国家和地区的知名企业占据。目前，全球前五大半导体硅片企业规模较大，合计市场份额达93%。其中，日本信越化学市场份额27.58%，日本SUMCO市场份额24.33%，德国Siltronic市场份额14.22%，中国台湾环球晶圆市场份额为16.28%，韩国SK Siltron市场份额占比为10.16%。相较于行业前五大半导体硅片企业，硅产业集团规模较小，占全球半导体硅片市场份额2.18%。近年来随着我国对半导体产业的高度重视，在产业政策和地方政府的推动下，我国半导体硅片行业的新建项目也不断涌现。伴随着全球芯片制造产能向中国大陆转移的长期过程，中国大陆市场将成为全球半导体硅片企业竞争的主战场。
半导体硅片是芯片制造的核心材料，芯片制造企业对半导体硅片的品质有着极高的要求，对供应商的选择非常慎重。根据行业惯例，芯片制造企业需要先对半导体硅片产品进行认证，才会将该硅片制造企业纳入供应链，一旦认证通过，芯片制造企业不会轻易更换供应商。中国大陆已经实现300mm半导体硅片规模化销售，半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料，是半导体产业链基础性的一环。然而，半导体硅片也是我国半导体产业链与国际先进水平差距最大的环节之一，当前我国半导体硅片的供应高度依赖进口，国产化进程严重滞后。
根据 WSTS 分类标准，半导体芯片主要可分为集成电路、分立器件、传感器 与光电子器件四种类别。其中，集成电路可细分为存储器、模拟芯片、逻辑芯片 与微处理器。模拟芯片可进一步细分为功率器件、放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等产品。射频前端芯片是模拟芯片的一种，是集合了多种类型模拟芯片的模块。
半导体硅片尺寸越大，对半导体硅片的生产技术、设备、材料、工艺的要求越高。目前，全球市场主流的产品是200mm（8英寸）、300mm（12英寸）直径的半导体硅片，下游芯片制造行业的设备投资也与200mm和300mm规格相匹配。考虑到大部分200mm及以下芯片制造生产线投产时间较早，绝大部分设备已折旧完毕，因此200mm及以下半导体硅片对应的芯片制造成本往往较低，在部分领域使用200mm及以下半导体硅片的综合成本可能并不高于300mm半导体硅片。此外，在高精度模拟电路、射频前端芯片、嵌入式存储器、CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器、高压MOS等特殊产品方面，200mm 及以下芯片制造的工艺更为成熟。综上，200mm及以下半导体硅片的需求依然存在。随着汽车电子、工 业电子等应用的驱动，200mm半导体硅片的需求呈上涨趋势。目前，除上述特 殊产品外，200mm及以下半导体硅片的需求主要来源于功率器件、电源管理器、非易失性存储器、MEMS、显示驱动芯片与指纹识别芯片等，终端应用领域主要为移动通信、汽车电子、物联网、工业电子等。
接下来，我们看一下碳化硅基片。
碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积。目前，碳化硅半导体主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。同时，我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域，随着国家“新基建”战略的实施，碳化硅半导体将在5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心等新基建领域发挥重要作用。
因此，以碳化硅为代表的宽禁带半导体是面向经济主战场、面向国家重大需 求的战略性行业。全球宽禁带半导体行业目前总体处于发展初期阶段，相比硅和砷化镓等半导体而言，在宽禁带半导体领域我国和国际巨头公司之间的整体技术差距相对较小。另外，由于宽禁带半导体的下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度，下游制造环节对设备的要求相对较低，投资额相对较小，制约宽禁带半导体行业快速发展的关键之一在上游材料端。因此，我国若能在宽禁带半导体行业上游衬底材料行业实现突破，将有望在半导体行业实现换道超车。
由于全球行业龙头企业在碳化硅领域起步较早，因此在碳化硅衬底各尺寸量产推出时间方面，中国的企业与全球行业龙头企业存在差距：以半绝缘型碳化硅衬底为例，在4英寸至 6英寸衬底的量产时间上全球行业龙头企业分别早于中国龙头企业（天岳先进）10年以上及 7 年以上；截至目前，中国（天岳先进）尚不具备8英寸衬底的量产能力，全球行业龙头企业已于2019年或以前具备 8 英寸衬底量产能力。在大尺寸产品供应情况方面，根据公开信息，行业龙头科锐公司能够批量供应4英寸至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设8英寸产品生产线。目前，公司主要产品是4英寸半绝缘型碳化硅衬底，6英寸半绝缘型和6英寸导电型衬底已形成小批量销售，与全球行业龙头尚存在一定的差距。
目前下游行业已利用碳化硅在高压、高温、高功率、高频等方面的优势开发出新一代半导体器件，碳化硅衬底的下游应用主要为射频器件及功率器件，其下游应用发展情况较好。在5G基站建设、无线电探测、新能源汽车及充电桩等领域得到快速应用，并将在光伏新能源、轨道交通、智能电网等行业扩大应用。
碳化硅在制造射频器件、功率器件等领域具有明显优势。但是在射频器件、功率器件领域，碳化硅衬底的市场应用瓶颈为其较高的生产成本。影响碳化硅衬底成本的制约性因素在于生产速率慢、产品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶体生长速度慢、缺陷控制难度大。相较于成熟的硅片制造工艺，碳化硅衬底短期内依然较为高昂。
例如，目前碳化硅功率器件的价格仍数倍于硅基器件，下游应用领域仍需平衡碳化硅器件的高价格与因碳化硅器件的优越性能带来的综合成本下降之间的关系，短期内一定程度上限制了碳化硅器件的渗透率，使得碳化硅材料即使在部分相对优势领域的降成本、促销售的可行性和预期进展仍存在较大的挑战，导致整体行业发展不达预期，对发行人的经营产生不利影响。公司生产所需的原材料主要包括碳粉和硅粉等主料和石墨件、石墨毡、抛光液、金刚石粉等辅料。生产设备主要包括长晶炉、切割研磨设备等。
主要生产流程
在对原理和技术有了基本了解以后，我们进一步探讨其制造流程。首先看硅基生产流程。
半导体硅片的生产流程较长，涉及工艺较多。半导体抛光片生产环节包含了拉晶、滚圆、切割、 研磨、蚀刻、抛光、清洗等工艺；半导体外延片生产过程主要为在抛光片的基础 上进行外延生长；SOI 硅片主要采用键合或离子注入等方式制作。半导体硅片每 一个工艺环节均会影响产成品的质量、性能与可靠性 。
根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以SOI 硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片。抛光片经过外延生长形成外延片，抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后 形成 SOI 硅片。随着集成电路特征线宽的不断缩小，光刻机的景深也越来越小，硅片上极其 微小的高度差都会使集成电路布线图发生变形、错位，这对硅片表面平整度提出了苛刻的要求。
此外，硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良品率也有直接影响。抛光工艺可去除加工表面残留的损伤层，实现半导体硅片表面平坦化，并进一步减小硅片的表面粗糙度以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。抛光片可直接用于制作半导体器件，广泛应用于存储芯片与功率器件等，也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料。外延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延技术可以减少硅 片中因单晶生长产生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量。
外延片常在CMOS电路中使用，如通用处理器芯片、图形处理器芯片等，由于外延片相较于抛光片 含氧量、含碳量、缺陷密度更低，提高了栅氧化层的完整性，改善了沟道中的漏电现象，从而提升了集成电路的可靠性。除此之外，通常在低电阻率的硅衬底上 外延生长一层高电阻率的外延层，应用于二极管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管） 等功率器件的制造。功率器件常用在大功率和高电压的环境中，硅衬底的低电阻 率可降低导通电阻，高电阻率的外延层可以提高器件的击穿电压。
外延片提升了器件的可靠性，并减少了器件的能耗，因此在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。SOI硅片即绝缘体上硅，是常见的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层，具体流程如下：
▲图一 硅片生产流程
再看碳化硅基生产流程，其具体可以分为以下几步：
（1）原料生成：（PVT气相形成，结构也多，控制度很难）
将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在 2,000℃以上的高温条件下，于反应腔室内通过特定反应工艺，去除反应环境中残余的、反应微粉表面吸附的痕量杂质，使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。每一批进行取样测试纯度、颗粒度等。
（2）晶体生长
中国企业一般采用PVT 法制备碳化硅单晶，PVT 法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在 2,300°C 以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含 Si、Si2C、SiC2 等不同气相组分的反应气体，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源；由于固相升华反应形成的 Si、C 成分的气相分压不同，Si/C化学计量比随热场分布存在差异，需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输，使组分输运至生长腔室既定的结晶位置；为了避免无序的气相结晶形成多晶态碳化硅，在生长腔室顶部设置碳化硅籽晶（种子），输运至籽晶处的气相组分在气相组分过饱和度的驱动下在籽晶表面原子沉积，生长为碳化硅单晶。
以上碳化硅单晶制备的整个固-气-固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内，反应系统的各个参数相互耦合，任意生长条件的波动都会导致整个单晶生长系统发生变化，影响碳化硅晶体生长的稳定性；此外，碳化硅单晶在其结晶取向上的不同密排结构存在多种原子连接键合方式，从而形成 200 多种碳化硅同质异构结构的晶型，且不同晶型之间的能量转化势垒极低。因此，在 PVT 单晶生长系统中极易发生不同晶型的转化，导致目标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题。故需采用专用检测设备检测晶锭的晶型和各项缺陷。
（3）晶锭加工
将碳化硅晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向，之后通过精密机械加工的方式磨平、滚圆，加工成标准直径尺寸和角度的碳化硅晶棒。对所有成型晶棒进行尺寸、角度等指标检测。
（4）晶棒切割
在考虑后续加工余量的前提下，使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割，并使用全自动测试设备进行翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）、厚度变化（TTV）等面型检测。
（5）切割片研磨
通过自有工艺配方的研磨液将切割片减薄到相应的厚度，并且消除表面的线痕及损伤。使用全自动测试设备及非接触电阻率测试仪对全部切割片进行面型及电学性能检测。
（6）研磨片抛光
通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光，用来消除表面划痕、降低表面粗糙度及消除加工应力等，使研磨片表面达到纳米级平整度。使用X射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅抛光片的各项参数指标，据此判定抛光片的质量等级。
（7）抛光片清洗
在百级超净间内，通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗，去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等，甩干封装在洁净片盒内，形成可供客户开盒即用的碳化硅衬底。
注：图片来源于巨浪资讯
▲图二 碳化硅基片生产流程
制造污染问题分析
在讨论这些材料的时候，不能忽视的一个方面是制造污染，我们同样从硅基个碳化硅基两个方向分析。
首先看硅基生产污染。其生产经营中的多个环节涉及环境污染，生产过程中将产生一定量的废水、 废气、固废和噪音。废水包括工艺废水、废气处理系统废水，各生产环节中均有一定量的清洗废水产生；废气包括微酸性废气、外延废气、废水处理系统废气和 微碱性废气，其中微酸性废气主要来源于应力清除、清洗环节，外延废气来自于 外延环节，废水处理系统废气来自于废气处理；固废主要包括废化学包装、废石 英坩埚、废石墨热场、废磨轮、废金刚线等，固废产生的生产环节包括拉晶、研磨、抛光、废水处理等环节；噪音来源主要为废气系统风机、冷却塔、空压机、空调机组、各类泵等。
注：图片来源于巨浪资讯
▲图三 硅基生产污染及处理
再看碳化硅污染，碳化硅衬底材料生产主要工序涉及原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节，不属于重污染行业；产生的主要污染物为废水（主要包括酸洗清洗废水、废气净化废水、倒角清洗废水、研磨清洗废水、机械抛光清洗废水、生活污水等）、一般固废（主要包括提纯杂质、加工下脚料、生活垃圾等）、危险废物（主要包括废研磨液、废切削液、废抛光液等）、废气（主要包括酸洗废气、乙醇清洗废气、有机废气等）、噪声等。公司污染物处理主要方式为：废水通过经污水处理站处理达标后排入市水质净化厂进一步处理；一般固废中生活垃圾委托环卫部门处理，其他通过回收单位进行资源再利用；危险废物通过委托有资质第三方机构处理；废气通过排污装置合规排放；噪音通过车间隔音措施等方式处理。
材料属性对比
第一、二、三、四代半导体材料各有利弊，并无绝对的替代关系，而是在特定的应用场景中存在各自的比较优势。这应该是建立的一个常识认知。以下材料的性能对比：
注1：碳化硅有200多种结构，以上为常见的4H-SiC，氧化镓为β-氧化镓
注2：数据来源为《宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路》，赵正平著，国防工业出版
硅属于半导体材料，其自身的导电性并不是很好。然而，可以通过添加适当的掺杂剂来精确控制它的电阻率。制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片(wafer)。这要从硅锭的生长开始。单晶硅是原子以三维空间模式周期形成的固体，这种模式贯穿整个材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体单独形成的，不能用来做半导体电路。多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中使用的晶圆片。加工硅晶片生成一个硅锭要花一周到一个月的时间，这取决于很多因素，包括大小、质量和终端用户要求。超过75%的单晶硅晶圆片都是通过Czochralski(CZ，也叫提拉法)方法生长的。
至于碳化硅，根据《中国战略性新兴产业：新材料（第三代半导体材料）》，与硅相比，碳化硅拥有更为优越的电气特性：①耐高压：击穿电场强度大，是硅的 10 倍，用碳化硅制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。②耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍，可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过 300℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到 600℃以上。
同时，碳化硅的热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅器件的散热，在同 样的输出功率下保持更低的温度，碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化。③实现高频的性能：碳化硅的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性，碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求，已应用于射频器件及功率器件。
接下来看不同器件对比。
功率器件，相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减小至原来的1/10，导通电阻可至少降低至原来的1/100。相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大降低70%。碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，将极大地提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率，对高效能源转换领域产生 重大而深远的影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统 散热要求等优点，将在光伏新能源领域得到广泛应用。
例如，在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里，碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。阳光电源等光伏逆变器龙头企业已将碳化硅器件应用至其组串式逆变器中。电动驱动系统中，主逆变器负责控制电动机，是汽车的关键元器件，特斯拉Model 3的主逆变器采用了意法半导体生产的24个碳化硅MOSFET功率模块。
注：图片来源于巨浪资讯
▲图四 不同衬底器件对比图
碳化硅基氮化镓射频器件具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势，有望开启其广泛应用。氮化镓射频器件是迄今为止最为理想的微波射频器件，因此 成为 4G/5G 移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心微波射频器件。氮化镓射频器件正在取代 LDMOS在通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应用。随着信息技术产业对数据流量、更高工作频率和带宽等需求的不断增长，氮化镓器件在基站中应用越来越广泛。
根据 Yole 预测，至2025年，功率在3W以上的射频器件市场中，砷化镓器件市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额，占据射频器件市场约50%的份额。
氮化镓射频器件主要基于碳化硅、硅等异质衬底外延材料制备的，并在未来一段时期也是主要选择。相比较硅基氮化镓，碳化硅基氮化镓外延主要优势在其材料缺陷和位错密度低。碳化硅基氮化镓材料外延生长技术相对成熟，且碳化硅衬底导热性好，适合于大功率应用，同时衬底电阻率高降低了射频损耗，因此碳化硅基氮化镓射频器件成为目前市场的主流。根据 Yole 报告，90%左右的氮化镓射频器件采用碳化硅衬底制备。
生产商家对比
我们还需要对厂商进行一些基本的分析。其中硅基片主要生产商家资料如下。
▲图五 硅基生产商家对比
（1）信越化学
①信越化学（4063.T） 信越化学是全球排名第一的半导体硅片制造商，是日本著名的化学品公 司。信越化学设立于 1926 年，为东京证券交易所上市公司。主营业务包括 PVC（聚氯乙烯）、有机硅塑料、纤维素衍生物、半导体硅片、磷化镓、稀土 磁体、光刻胶等产品的研发、生产、销售。信越化学采取多元化发展战略，在 多个产品领域均全球领先。信越化学于 2001 年开始大规模量产 300mm 半导体 硅片，半导体硅片产品类型包括 300mm 半导体硅片在内的各尺寸硅片及 SOI 硅片。
（2）Siltronic
Siltronic是全球排名第四的半导体硅片制造商，主营经营地在德国于2015年在法兰克福证券交易所上市。Siltronic专注于半导体硅片业务，从1953年开始从事半导体硅片业务的研发工作，1998年实现300mm半导体硅片的试生产，2004年300mm半导体硅片生产线投产。主要产品包括125-300mm半导体硅片。2016年至 2018 年，Siltronic实现营业收入 9.33亿欧元、11.77亿欧元、14.57亿欧元，2017年、2018年同比增长26.15%、23.79%。
再看碳化硅基生产主要商家资料。
▲图六 碳化硅衬底主要生产商家资料
（3）Cree
Cree成立于1987年，于1993年在美国纳斯达克上市。Cree的子公司 Wolfspeed 从事碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体衬底、功率器件、射频器件等产品的技术研究与生产制造；此外，科锐公司还曾从事 LED 芯片及组件等业务。科锐公司能够批量供应 4 英寸至 6 英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设 8 英寸产品生产线，目前科锐公司的碳化硅晶片供应量位居世界前列。2020 年 10 月 13 日，科锐公司将 LED 产品业务出售，全力争取电动汽车、5G 通信和工业应用等领域的增长机会。
（4）贰陆公司（纳斯达克：IIVI）
贰陆公司成立于 1971 年，是工程材料、光电元件和光学系统领域的全球领先企业，为材料加工、通信、航空航天与国防、生命科学、半导体设备、汽车和消费电子等领域的应用提供垂直整合解决方案，于 1987 年在美国纳斯达克上市。贰陆公司能够提供 4 至 6 英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底。目前贰陆公司的碳化硅衬底供应量位居世界前列。
总结与展望
总结以上信息可知，中国的半导体事业正处于蒸蒸日上百家争鸣的繁荣快速发展阶段，目前硅基产品在市场的占有率很大，但是局限性明显，碳化硅基片的产品明显优势很多，但是相对于硅基其价格、制备难度等等是阻碍其发展的一大挑战。
