半导体周报1105-半导体材料之碳化硅

半导体周报-1105

一、行业新闻及动态：

1、半导体设计：

《科创板日报》26日讯，针对英伟达与联发科合作设计电脑中央处理器（CPU），大摩半导体分析师詹家鸿指出，联发科可能会以目前已有的Chromebook系统单晶片（SoC）迅鲲作为与英伟达合作设计的基础，并采用台积电CoWoS 2.5D封装制程，将系统单晶片与GPU整合到同一块PC芯片，试验芯片将于2024年第二季下线制造。詹家鸿认为，这款新的AI Chromebook系统单晶片将有助于联发科进入高阶笔电市场，并有助联发科估值提升。

 

2、半导体制造及封测：

【中国台湾半导体巨头与SBI拟在日本宫城建厂】财联社10月27日电，中国台湾半导体代工巨头“力晶积成电子制造”（PSMC）与SBI控股基本决定在宫城县共同建设半导体工厂。项目规模预计将达8000亿～9000亿日元（约合人民币390亿～439亿元），探讨从SBI提出“第四大银行构想”迄今展开合作的地方银行筹集资金。PSMC是全球为数不多专注于半导体代工的企业。

 

《科创板日报》27日讯，日本芯片制造商Socionext宣布联合台积电，开发一款32核ARM处理器，该处理器将采用台积电2nm制程工艺，以及Arm Neoverse计算子系统技术，“能在超大规模数据中心和下一代移动基础设施（包括 5G和6G）中提供‘可扩展的性能’”。

 

3、其他：

《科创板日报》26日讯，国际半导体产业协会SEMI表示，受半导体需求的持续疲软和宏观经济状况影响，2023年全球硅晶圆出货量预计将下降14%。按面积计算，2022年全球晶圆出货量创下历史记录，达到145.65亿平方英寸（MSI），预计2023年将降至125.12亿平方英寸。机构预测，随着人工智能（AI）、高性能计算（HPC）、5G、汽车和工业等应用带动硅芯片需求的增长，预计2024年全球硅晶圆出货量将反弹8.5%，达到135.78亿平方英寸。这一反弹势头将延续至2026年，预计出货量将超过162亿平方英寸。

 

【Yole：2028年汽车半导体产业规模达到840亿美元】《科创板日报》25日讯，咨询机构Yole表示，随着汽车供应链转型，汽车半导体器件市场会以11.9%的年复合增长率增长，在2028年达到840亿美元。虽然Yole预计在汽车电气化ADAS、SiC引入汽车供应链等多重驱动下，2028年每辆车的芯片数量将从2022年的850增加到1080 个，价值从540美元升至912美元。但是汽车半导体的供应仍然受到限制，尤其是成熟节点芯片，这是因为代工厂不愿投资。

 

《科创板日报》26日讯，内存芯片制造商SK海力士公司表示，人工智能的热潮将推动芯片利润增长，该公司在第三季度的亏损比上一季度大幅缩小。用于人工智能的高级芯片的强劲需求，缓解了由于智能手机和电脑等设备中使用的普通芯片需求持续低迷而造成的影响。SK海力士表示，其销售用于科技设备的DRAM芯片的业务，在第三季度重新盈利，而今年前两个季度都是亏损的。

 

二、本周话题——半导体材料之碳化硅（一）

在高性能和低能耗半导体器件驱动下，半导体材料经历四次更迭。半导体材料是制造半导体器件和集成电路的电子材料，是电子信息技术发展的基础。伴随下游应用日趋复杂化和精细化，高性能及低损耗的半导体器件需求成为半导体研究的重要方向，驱动半导体材料经历四次更迭：

1）第一代元素半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）。20 世纪 50 年代兴起，取代了笨重的电子管，奠定了以集成电路为核心的微电子工业的基础，广泛用于信息处理和自动控制等领域。

2）第二代化合物半导体材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）。20 世纪90 年代兴起，突破硅在高频高压及光电子领域的局限，开拓了移动通信和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网产业，多用于发光电子器件以及通信基础设备。

3）第三代宽禁带半导体材料：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等。近 10年逐渐兴起，具备大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场四大特性，全面突破材料在高频、高压、高温等复杂条件下的应用极限，适配 5G 通信、新能源汽车、智能物联网等新兴产业，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

4）第四代超禁带半导体材料：氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚石以及锑化镓（GaSb）、锑化铟（InSb）等。近 5-10 年被提出，在第三代半导体基础上实现进一步提效降本，以人工智能与量子计算为驱动力，目前处于科研与产业化起步阶段。

不同代际半导体材料应用领域

资料来源：天岳先进招股说明书、环球市场随笔、半导体产业纵横、国泰君安证券研究。

        SiC碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。相比传统的硅材料（Si），碳化硅（SiC）的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。

        SiC 作为第三代半导体材料具备诸多显著优势：（1）耐高压：SiC 材料相比于 Si 材料具有 10 多倍的击穿场强，因此可以通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，相同的耐压值下，SiC 功率模块导通电阻/尺寸仅为 Si 的 1/10，功率损耗大幅减少。（2）耐高频：SiC 材料不存在电流拖尾现象，能够提高元件的开关速度，是硅（Si）开关速度的 3-10 倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度。（3）耐高温：SiC 材料具有禁带宽度大(约 Si 的 3 倍)、热导率高(约 Si 的 3.3 倍），熔点高(2830℃，约 Si-1410℃的两倍)的特点，因此 SiC 器件在减少电流泄露的同时大幅提高工作温度。

各项性能指标对比

资料来源：亿渡数据

        SiC 不同晶体结构性能各异，4H-SiC 综合性能最佳。SiC 由于 C 原子和 Si 原子结合方式多样，有 200多种同质异型晶体结构，其中 6H-SiC 结构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC 饱和电子漂移速度高，适合高频大功率器件；4H-SiC 电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高，适合电力电子器件。4H-SiC 是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的理想材料。

碳化硅常见晶格结构

资料来源：国泰君安证券研究

 

碳化硅器件

        生产碳化硅器件主要包括衬底、外延、器件制造（设计、制造、封测）三大环节。按照电阻性能的不同分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅基射频器件：

        （1）导电型碳化硅功率器件：功率器件又被称为电力电子器件，是构成电力电子变换装置的核心器件。电力电子器件是对电能进行变换和控制，所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚至 1W 以下。电力电子装置正是实现电能高质量高效转换、多能源协调优化、弱电与强电之间控制运行、交流与直流之间能量互换、自动化高效控制等的重要手段，也是实现节能环保、提高电能利用效率的重要保障。导电型碳化硅功率器件主要是通过在导电型衬底上生长碳化硅外延层，得到碳化硅外延片后进一步加工制成，品种包括造肖特基二极管（SBD）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极性晶体管）等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、数据中心、充电等基础建设。目前碳化硅二极管、MOSFET 已经开始商业化应用。

性能优势如下：（1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。（3）更低的能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，使得碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。

（2）半绝缘型碳化硅基射频器件：射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，是无线通信设备的基础性零部件，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片后进一步制成，包括 HEMT（高电子迁移率晶体管）等氮化镓射频器件，主要用于 5G 通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。碳化硅、氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的 2.0、2.5倍，因此碳化硅、氮化镓器件的工作频率大于传统的硅器件。然而，氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点，而碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点，因此业界采取半绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。

资料来源：亿渡数据

 

产业链

        从工艺流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件。将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

碳化硅器件生产流程

资料来源：亿渡数据

        目前 SiC MOSFET 的应用受到成本高昂限制，据中科院数据，同一级别下 SiC MOSFET 的价格比Si 基 IGBT 高 4 倍。碳化硅衬底、外延成本分别占整个器件的 47%、23%，合计约 70%，后道的器件设计、制造、封测环节仅占 30%。这与硅基器件成本构成截然不同，硅基器件生产成本主要集中在后道的晶圆制造约 50%（碳化硅器件制造也包含晶圆制造，但成本占比相对较小），衬底成本占比仅为 7%。SiC 产业链价值量倒挂的现象说明上游衬底厂商掌握着核心话语权，是国产化突破的关键。

产业链各环节涉及公司

资料来源：CASA，TelescopeMagazine，亿渡数据整理

 

行业技术难点

        （一）、碳化硅衬底生长“慢”：碳化硅单晶方面主要存在三点难点：对温度和压力的控制要求高，其生长温度在2300℃以上；长晶速度慢，7天的时间大约可生长2cm碳化硅晶棒；晶型要求高、良率低，只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才可作为半导体材料。

目前商业的SiC晶圆的合成方法为PVT法。通过熔融状态或熔液状态结晶的方式可以制备出来大部分半导体单晶，但由于碳化硅自身性质的原因利用这两种方法无法生长出单晶。只有当压力＞100GPa、温度＞3200℃时C和Si才能熔化。而且当温度在1412~2830℃之间时，C在熔化的Si中溶解度仅为0.01%~19%。当温度超过1750℃时，通过在熔体里加入其它金属（Pr、Tb、Sc等）作为助溶剂，C的溶解度也仅能达到50%，但此时会产生大量Si蒸汽，无法完成生长过程。另外，碳化硅晶片中会混入大量金属助溶剂，不能用于制造半导体器件。直到1955年制备技术才有了突破性的进展，菲利普实验室的科学家们制备出了尺寸可控、质量较高的碳化硅单晶，其杂质浓度较低且可控，被称之为“Lely法”。这种方法是在反应器中持续通入氩气，同时加热装满碳化硅颗粒的反应器到2550℃，碳化硅在气相中成核并逐渐生长成晶体。这种方法的优点是：气相自发成核，产率高而且污染少。其缺点是：不能长出大尺寸的碳化硅单晶。

碳化硅晶体生长主流工艺比较

资料来源：亿渡数据

        （二）、国内碳化硅外延生长速度慢：外延部分，有别于硅基器件，碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，外延必不可少，当前CVD法制备是应用最为广泛的方式。制备SiC外延层的方法有：液相外延法、分子束外延生长法、磁控溅射法、升华外延法、和CVD法等。其中，液相外延法、分子束外延生长法、CVD法是制备半导体器件所需SiC外延层的方法中较为成熟的方法。对比以上三种方法，MBE法制备的SiC外延层的质量最好，缺陷最少，但是生长速率较慢。从工业化生产方面考虑，由于MBE法和LPE法生长的速率比较慢，无法满足工业化生长的需求，而CVD法的生长速率较高，满足条件。同时，CVD法能够直接制备出复杂的半导体器件且CVD系统比较简单易操作，成本较低。

国内从事高速外延生长SiC厚膜研究的单位较少，很少出现100μm/h以上外延速率工艺报道。随着国家节能减排任务的加重，采用高效、节能电子元器件将成为必然趋势，厚膜SiC外延层在高压输电、轨道交通、智能电网等领域将广泛使用，因此研究开发高速外延生长工艺对于国内经济发展的意义重大。

资料来源：亿渡数据

        （三）、碳化硅衬底加工“难”—切片：碳化硅单晶的加工过程主要分为切片、薄化和抛光。全球碳化硅制造加工技术和产业尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市场的发展，要充分实现碳化硅衬底的优异性能，开发提高碳化硅晶片加工技术是关键所在。切片是碳化硅单晶加工过程的第一道工序，切片的性能决定了后续薄化、抛光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亚表面产生裂纹，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表层裂纹损伤，对推动碳化硅器件制造技术的发展具有重要意义。传统的锯切工具如内圆锯片、金刚石带锯，转弯半径受限，切缝较宽，出片率较低，不适用于碳化硅晶体切割。目前报道的碳化硅切片加工技术主要包括固结、游离磨料切片、激光切割、冷分离和电火花切片，其中往复式金刚石固结磨料多线切割是最常应用于加工碳化硅单晶的方法。

资料来源：亿渡数据

        （四）、碳化硅衬底加工“难”—薄化：碳化硅断裂韧性较低，在薄化过程中易开裂，导致碳化硅晶片的减薄非常困难，为防止碎片，优化单面研磨技术是未来薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技术发展趋势。碳化硅切片的薄化主要通过磨削与研磨实现。晶片磨削最具代表性的形式是自旋转磨削，晶片自旋转的同时，主轴机构带动砂轮旋转，同时砂轮向下进给，进而实现减薄过程。自旋转磨削虽可有效提高加工效率，但砂轮易随加工时间增加而钝化，使用寿命短且晶片易产生表面与亚表面损伤。加工缺陷的存在严重制约加工精度和效率，为了解决这些问题，目前主要的技术包括超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削。薄化工艺中晶片材料去除率和磨料粒径大小、密度、研磨盘转速、研磨压力等因素密切相关。

        （五）、碳化硅衬底加工“难”—抛光：碳化硅晶片的抛光工艺可分为粗抛和精抛，粗抛为机械抛光，目的在于提高抛光的加工效率。碳化硅单晶衬底机械抛光的关键研究方向在于优化工艺参数，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。精抛为单面抛光，化学机械抛光是应用最为广泛的抛光技术，通过化学腐蚀和机械磨损协同作用，实现材料表面去除及平坦化。晶片在抛光液的作用下发生氧化反应，生成的软化层在磨粒机械作用下相对容易被除去。作为单晶衬底加工的最后一道工艺，化学机械抛光是实现碳化硅衬底全局平坦化的常用方法，也是保证被加工表面实现超光滑、无缺陷损伤的关键工艺。

资料来源：亿渡数据

        （六）、碳化硅缺陷密度去除工艺壁垒“高”：碳化硅单晶生长热场存在温度梯度，导致晶体生长过程中存在原生内应力及由此诱生的位错、层错等缺陷，其可靠性备受关注。在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时控制微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等参数指标是复杂的系统工程，涉及一系列高难度工艺调控，工艺壁垒高。对于微管缺陷，2010年以前研究工作比较多。现阶段研发和商用的SiC衬底微管密度都得到了有效控制，根据《半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展》一文数据，现阶段SiC衬底中位错密度的典型值为103~104/cm2。当前减少SiC晶锭扩展缺陷的最显著技术是“重复a面生长法”，暨准备一个几乎为零位错的籽晶，随后在稳定条件下在这个高质量的籽晶上进行升华法生长。

 

降低成本技术路径：

        1、扩大晶圆尺寸：根据Wolfspeed最新资料，从6寸转向8寸晶圆，碳化硅芯片（32mm2）数量有望从448颗增加到845颗，增加了75%。8英寸SiC衬底的基面和螺纹螺钉密度分别为684cm-2和289cm-2。化学机械抛光后，表面质量得到改善，有66个缺陷。碳化硅外延可以实现略高于1 %的厚度和掺杂均匀性。根据GTAT公司的预估，相对于6寸晶圆平台，预计8寸衬底的引入将使整体碳化硅器件成本降低20-35%。而且，6寸SiC晶体厚度为350微米，而最初投放市场的8寸SiC衬底厚度为500微米。尽管晶体成本会略微上涨，但是由于更厚的晶体可以切出更多的衬底片，预计也有望进一步降低器件生产成本。

        2、改进碳化硅长晶技术提升长晶速度：2021年8月5日，住友官网提到了他们 利用一种所谓的MPZ技术，生长了高质量、 低成本的SiC衬底和SiC外延片，消除了表面 缺陷和基面位错(BPD)，无缺陷区（DFA） 达99%，相比PVT法，SiC长晶速度提高 了5倍左右，相比普通的LPE法速度提升了 200倍。

 

行业现状：

        未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业、通讯等领域渗透率提升，碳化硅器件市场规模有望持续提升。

        2027年全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望突破60亿美元。 根据Yole，2027年全球导电型碳化硅功率器件市场规模将由2021年 的10.90亿美元增至62.97亿美元，2021-2027年每年以34%年均复 合增长率快速增长。汽车应用主导SiC市场，占整个功率SiC器件市 场的75%以上。

资料来源：亿渡数据

        随着5G建设的加速，半绝缘型碳化硅器件市场有望持续增长。半绝缘型碳化硅器件主要用于5G基站、卫星通信、雷达等方向，随着5G建设的加速，尤其是MassiveMIMO技术的推广，半绝缘型碳化硅基氮化镓器件市场规模将不断扩大。根据YOLE的数据，2020年封装的氮化镓射频器件市场规模约为8.91亿美元，其中超过99%都是采用碳化硅衬底，到2026年，这部分市场规模有望增长至22.22亿美元，年复合增速17%。

        碳化硅器件可大幅降低能耗及可耐高压高频，被广泛应用在电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通及智能电网领域，随着5G，新能源汽车，光伏发电和轨道交通的发展，碳化硅器件市场规模将快速增长。2017-2021年，中国碳化硅基电力电子器件应用市场快速增长。2021年中国碳化硅电力电子器件应用市场规模达到71.1亿元，同比增长51.9%。

资料来源：YOLE，亿渡数据

        在中高压领域，碳化硅基电力电子器件将继续渗透，新能源汽车仍将是最大应用领域。在低压、小功率电源领域，包括LED驱动电源、电动工具电源、消费电源、D类音频，GaN电力电子器件将是主角，成为驱动市场的新力量；在中压领域，GaN、SiC电力电子器件在数据中心服务器、路由器和网络交换机中的应用正呈现不断增长的趋势。

资料来源：CASA，亿渡数据

竞争格局：

        在碳化硅器件领域，欧美日企业领先，全球前6大厂商市占率达到99%。全球碳化硅器件市场格局仍由海外巨头主导。根据Yole的数据，2021年全球导电型碳化硅功率器件市场规模为10.90亿美元，市场份额由海外巨头意法半导体、Wolfspeed、罗姆、英飞凌、三菱电机、安森美等厂商垄断，全球TOP6占据99%的市场份额。

碳化硅器件行业市场空间广阔，全球巨头纷纷规划大规模扩产。Wolfspeed在纽约州北部开始运营新的8英寸SiC晶圆厂。博世正在德国增加近40000平方英尺的新SiC专用洁净室。Rohm在日本开设了一家新工厂，目标是在未来五年内将SiC制造量提高5倍。英飞凌刚刚开始在马来西亚建设新的SiC工厂。东芝计划到2024年将SiC产量提高3倍，到2026年提高10倍。未来随着全球巨头产能扩张，碳化硅器件有望加速应用于下游市场。

数据来源：Yole，亿渡数据整理

 

大陆相关企业：

天岳先进：

公司是一家国内领先的宽禁带半导体（第三代半导体）衬底材料生产商，主要从事碳化硅衬底的研发、生产和销售，产品可广泛应用于微波电子、电力电子等领域。目前，公司主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。在国外部分发达国家对我国实行技术封锁和产品禁运的背景下，公司自主研发出半绝缘型碳化硅衬底产品，实现我国核心战略材料的自主可控，有力保障国内产品的供应，确保我国宽禁带半导体产业链的平稳发展。公司产品已批量供应至国内碳化硅半导体行业的下游核心客户，同时已被国外知名的半导体公司使用。在导电型碳化硅衬底领域，公司6英寸产品已送样至多家国内外知名客户，并于2019年中标国家电网的采购计划。。公司自成立以来，专注于碳化硅单晶半导体的制备技术，经过十余年的技术发展，自主研发出2-6英寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术，系统地掌握了碳化硅单晶设备的设计和制造技术、热场仿真设计技术、高纯度碳化硅粉料合成技术、不同尺寸碳化硅单晶生长的缺陷控制和电学性能控制技术、不同尺寸碳化硅衬底的切割、研磨、抛光和清洗等关键技术；较早在国内实现了4英寸半绝缘型碳化硅衬底的产业化，成为全球少数能批量供应高质量4英寸半绝缘型碳化硅衬底的企业；完成了6英寸导电型碳化硅衬底的研发并开始了小批量销售。

 

新洁能：

公司的主营业务为MOSFET、IGBT等半导体芯片和功率器件的研发设计及销售，销售的产品按照是否封装可以分为芯片和功率器件。通过持续的自主创新，公司在沟槽型功率MOSFET、超结功率MOSFET、屏蔽栅功率MOSFET以及IGBT等产品的设计研发方面拥有多项核心技术。主要产品包括12V~200V沟槽型功率MOSFET、30V~300V屏蔽栅功率MOSFET、500V~900V超结功率MOSFET、600V~1350V沟槽栅场截止型IGBT及功率IC（栅驱动IC及电机驱动IC），产品广泛应用于消费电子、汽车电子、工业电子以及新能源汽车/充电桩、智能装备制造、物联网、5G、光伏新能源等领域。

免责声明：本文章不涉及投资建议，仅供分享观点所用。

参考资料：

国泰君安证券;多技术并行，碳化硅衬底切片设备加速国产化

亿渡数据：中国SiC碳化硅器件行业深度研究报告

申万宏源：碳化硅：国内衬底厂商加速布局