【原创】碳化硅“王炸”产品来袭,便宜10%-20%,住友靠它向世界龙头发起挑战!


来源:中国粉体网   山川

[导读]  住友矿山开发出一种新技术,希望凭借一种新型SiC晶圆抢占美国Wolfspeed(前身为科锐,CREE)等企业的市场,使全球份额占比达到10%。

中国粉体网讯  近日,住友矿山表示,计划量产新一代碳化硅功率半导体晶圆,而且会使用自主研发的最新技术将价格降低10%到20%。住友矿山希望凭借这种新型SiC晶圆抢占美国Wolfspeed(前身为科锐,CREE)等企业的市场,使全球份额占比达到10%



(图片来源:住友矿山官网)


要知道,Wolfspeed可是SiC衬底的绝对龙头,手握全球五成SiC晶圆产能,拥有世界最大的SiC晶圆厂,它早早宣布了10亿美元的扩产计划,在去年上市、改名,将业务进一步聚焦于SiC等第三代半导体。根据从事专利分析的日本Patent Result所整理出的数据,在与SiC有关的专利方面,Wolfspeed持有的专利数量最多,住友电工位列第三(该公司与住友矿山同为住友集团的核心企业)。


除了Wolfspeed外,II-VI、罗姆等也纷纷表态,要大力开拓SiC晶圆业务。群狼环伺SiC,住友矿山的底气从何而来?


首先我们来了解一下碳化硅器件这个“明星级产品”。


SiC功率器件已逐步渗透到生活中的方方面面


以碳和硅组成的化合物半导体碳化硅(Silicon Carbide)为材料制作的功率半导体器件,因其所具备的优异性能与先进性,多年来一直作为“理想的元器件”而备受瞩目。SiC功率元器件现已逐渐成为我们现代日常生活中所普遍使用的“身边的”元器件。



(图片来源:基本半导体)


例如,家庭里的SiC有PC电源、太阳能发电功率调节器(家庭用)、空调等;工业中的SiC有数据中心、UPS、工厂搬运机器人、高频感应加热设备(IH)与高频电源、太阳能发电功率调节器(太阳能发电站等非家庭用)等;城市里的SiC有电动汽车(车载充电器)、快速充电站、发电机、医疗诊断设备等。




SiC功率器件的应用领域及优势


此外,碳化硅器件在航空航天、核能等极端工作环境中有也着不可替代的优势。


关键技术——碳化硅单晶


碳化硅器件性能非常突出,但其生产过程可谓是困难重重。其产业链贯穿了材料、芯片设计、制造工艺等各个环节。相对传统硅基技术而言,宽禁带功率器件由于采用了SiC半导体材料,在各关键技术环节也会遇到新的问题与挑战。



SiC半导体功率器件产业链


从技术的角度来说,与硅基功率器件制作工艺不同,碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上,需要在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料,最后在外延层上制造各类器件。传统的碳化硅外延基于高品质碳化硅单晶衬底,以实现晶格匹配和降低缺陷密度(微管、位错、层错等)。


即是说,制备出性能优良的碳化硅单晶衬底是产业链上极为关键的一环!



(图片来源:天岳先进)


衬底是功率器件的基础。由于目前Si基功率器件生产厂商的大部分生产线支持4英寸以上的晶圆,因此4、6英寸及以上SiC衬底技术的成熟是SiC功率器件在所有重要领域大规模应用的前提条件。



SiC晶片(衬底)制备方法


SiC单晶制备又是衬底的基础。碳化硅单晶制备技术包括PVT法(物理气相传输法)、溶液法和高温气相化学沉积法等,目前商用碳化硅单晶生长均采用PVT法。PVT法制备碳化硅单晶的难度在于:


①碳化硅单晶生长设备设计与制造技术。碳化硅长晶炉是晶体制备的载体,也是晶体生长核心技术中的热场和工艺的重要组成部分。针对不同尺寸、不同导电性能的碳化硅单晶衬底,碳化硅长晶炉需要实现高真空度、低真空漏率等各项性能指标,为高质量晶体生长提供适合的热场实现条件。


碳化硅粉料合成过程中的环境杂质多,难以获得高纯度的粉料;作为反应源的硅粉和碳粉反应不完全易造成Si/C比失衡;碳化硅粉料合成后的晶型和颗粒粒度难控制。


③碳化硅单晶在2300°C以上高温的密闭石墨腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过程,生长周期长、控制难度大,易产生微管、包裹物等缺陷。


④碳化硅单晶包括200多种不同晶型,但生产一般仅需一种晶型,生长过程中易产生晶型转变造成多型夹杂缺陷,制备过程中单一特定晶型难以稳定控制,例如目前主流的4H型。


⑤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。


⑥碳化硅单晶生长过程中需要严格控制外部杂质的引入,从而获得极高纯度的半绝缘晶体或定向掺杂的导电型晶体。对于射频器件使用的半绝缘碳化硅衬底,电学性能需要通过控制晶体中极低的杂质浓度及特定种类的点缺陷来实现。


⑦碳化硅衬底作为莫氏硬度9.2的高硬度脆性材料,加工过程中存在易开裂问题,加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题;为了达到下游外延开盒即用的质量水平,需要对碳化硅衬底表面进行超精密加工,以降低表面粗糙度、表面平整度并达到严苛的金属、颗粒控制要求。



物理气相传输法生长碳化硅晶体示意图


碳化硅单晶制备技术的高难度特性无疑会限制了产品良率,增加了生产成本,进而影响了其最终价格,这也是为什么碳化硅器件价格高居不下的主要原因。


住友矿山向世界龙头发起的挑战


既然碳化硅单晶衬底制备的成本非常高,那么,谁能掌握较低生产成本的技术便可以在市场竞争中占据主动地位。


对此,住友矿山的做法是,通过在结晶不规则而价格较低的“多晶SiC(而非昂贵的单晶碳化硅)”上贴一层可以降低发电损耗的“单晶SiC”,合成一片晶圆。与基于碳化硅单晶衬底的传统SiC功率半导体相比,其价格低10%-20%。另外,纯电动汽车的逆变器采用SiC功率半导体时,可以降低电力损耗,与此类现有产品相比,住友矿山的新晶圆能将电力损耗进一步降低10%左右。


一直以来,基于SiC单晶生长技术的不断发展,以Wolfspeed、DowCorning、SiCrystal、II-VI公司为首的单晶衬底企业不断侵占市场份额(我国厂商天岳先进已成为该领域世界前三),成为单晶衬底行业的风向标。尤其是Wolfspeed公司,目前它在该领域占据了50%以上的市场份额,其在2010年便发布6英寸SiC单晶衬底试样,并于2013年推出商品化6英寸SiC单晶衬底,2015年在ICSCRM国际会议上展示了其8英寸SiC单晶衬底试样,于2019年10月在纽约州立理工学院奥尔巴尼分校完成了首批8英寸SiC晶圆样品的制备。另外一家成功研制8英寸SiC单晶衬底的公司是II-VI Advanced Materials。


在非常高端的碳化硅半导体领域,高售价让碳化硅器件的应用推广在一定程度上受阻。尽管住友矿山目前还无法威胁到Wolfspeed“江湖老大”的地位,但如果其真能做到将碳化硅同类产品价格降低10%到20%,那将会撼动整个碳化硅半导体市场,“无利不起早,百事利当先”的道理谁会不懂?


参考来源:

[1]住友矿山将量产新一代碳化硅功率半导体晶圆.中国电子报

[2]陈尧等.国内外碳化硅功率器件发展综述

[3]闫美存等.碳化硅功率器件的关键技术及标准化研究

[4]HAFOM.碳化硅半导体SiC在功率器件领域的应用

[5]天岳先进招股说明书


(中国粉体网编辑整理/山川)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除


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作者:山川

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