碳化硅的国产化进程

半导体行业观察

随着近年来美国对我国半导体产业的重重禁运封锁广泛报道,大家对第二代半导体中的硅基半导体,也已经有很多了解。而今天,我们要谈的,是下一代,即第三代半导体中的一种重要材料--碳化硅。

碳化硅(SiC),与氮化镓(GaN)、金刚石、氧化锌(ZnO)等一起,属于第三代半导体。碳化硅等第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能。用这种特性制造的电力或电子元件,体积更小、传输速度更快、可靠性更高,耗能更低,最高可以降低50%以上的能量损失,积减小75%左右。特别重要的是,三代半导体可以在更高的温度、电压和频率下工作。

因此,碳化硅等第三代半导体,在半导体照明光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件、太阳能电池和生物传感器等其他器件等方面展现出巨大的潜力。在军用方面,SiC主要用于大功率高频功率器件。

碳化硅半导体的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件/芯片制造,分别对应衬底、外延和器件/芯片。后文会围绕这三个方面,对碳化硅产业的国产化发展进行讨论。

对应碳化硅的衬底的2种类型,即导电型碳化硅衬底和半绝缘型碳化硅衬底。在导电型碳化硅衬底上,生长碳化硅外延层,可以制得碳化硅外延片,进一步制成功率器件,主要应用于新能源汽车等领域;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,可进一步制成微波射频器件,应用于5G通讯等领域。

碳化硅衬底

碳化硅衬底生产的国外核心企业,主要是美国CREE,美国 II-VI,和日本昭和电工,三者合计占据75%以上的市场。技术上,正在从 4 英寸衬底向 6 英寸过渡,8 英寸硅基衬底在研。

国内的生产商主要是天科合达、山东天岳、河北同光晶体、世纪金光、中电集团2所等。国内碳化硅衬底以3-4英寸为主,天科合达的4英寸衬底已达到世界先进水平。2019 国内主要企业导电型SiC衬底折合4英寸产能约为50万片/年,半绝缘SiC衬底折合4英寸产能约为寸产能约为20万片/年。其中,中电科2所于2018年在国内率先完成4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底材料的工程化,到2020年,其山西碳化硅材料产业基地已经实现SiC的4英寸晶片的大批量产。

国内6英寸衬底研发也已经陆续获得突破,进入初步工程化准备和小批量产的阶段:

2017年,山东天岳自主开发了全新的高纯半绝缘衬底材料,其4H导电型碳化硅衬底材料产品已经达到6英寸,还自主开发了6英寸N型(导电型)碳化硅衬底材料。

2018年,中电科2所也完成了6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的研发。

同样在2018年,天科合达研制出6英寸碳化硅晶圆。此外,河北同光也在近年研发成功了6英寸碳化硅衬底。

2018年12月19日,三安集成宣布已完成了商业版本的6英寸碳化硅晶圆制造技术的全部工艺鉴定试验。并将其加入到代工服务组合中。

2020年07月19,三安光电在长沙的第三代半导体项目开工,主要用于研发、生产及销售6英寸SIC导电衬底、4吋半绝缘衬底、SIC二极管外延、SiC MOSFET外延、SIC二极管外延芯片、SiC MOSFET芯片、碳化硅器件封装二极管、碳化硅器件封装MOSFET。

2017年7月,中科节能与青岛莱西市、国宏中晶签订合作协议,投资建设碳化硅长晶生产线项目。该项目总投资10亿元,项目分两期建设,一期投资约5亿元,预计2019年6月建成投产,建成后可年产5万片4英寸N型(导电型)碳化硅晶体衬底片和5千片4英寸高纯度半绝缘型碳化硅晶体衬底片;二期投资约5亿元,建成后可年产5万片6英寸N型(导电型)碳化硅晶体衬底片和5千片4英寸高纯度半绝缘型碳化硅晶体衬底片。

从上述消息看,国内6英寸的半绝缘型和导电型衬底都已经有了技术基础,至少四家在未来几年可以启动工程化和大规模批产了,如果速度够快,将基本追平发达国家的商业化速度。

最让人关注的,是2020年10月6日发布的消息,山西烁科的碳化硅8英寸衬底片研发成功,即将进入工程化。今后,我国将形成4英寸为主体,6英寸为骨干,8英寸为后继的碳化硅衬底发展局面,将基本追平发达国家的技术研发速度。值得注意的是,山西烁科的第一大持股人是中电科半导体,持股63.75%,第四大持股人是中电科5所,持股9.54%。因此属于国家队的研发和产业化机构。

碳化硅外延片

碳化硅外延片生产的国外核心企业,主要以美国的Cree、 DowCorning、II-VI、日本的罗姆、三菱电机,德国的Infineon 等为主。其中,美国公司就占据全球70-80%的份额。技术上也在向6英寸为主的方向过渡。

国内碳化硅外延片的生产商,主要瀚天天成、东莞天域、国民技术子公司国民天成、世纪金光,以及国字号的中电科13所和55所。目前国内外延片也是以提供4英寸的产品为主,并开始提供6英寸外延片。2019 SiC外延片折算6英寸产能约为20万片/年。

这其中,最重要的是瀚天天成公司。该公司已经形成3英寸、4英寸以及6英寸的完整碳化硅半导体外延晶片生产线,并满足600V、1200V、1700V器件制作的需求。2014年5月29日,瀚天天成首批产业化的6英寸碳化硅外延晶片在厦门火炬高新区投产,并交付第一笔商业订单产品,成为国内首家提供的商业化6英寸碳化硅外延晶片。

东莞天域公司则在2012年就实现了年产超2万片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的产业化能力,目前也可提供6英寸碳化硅外延晶片。

国民技术在2017年8月15日发布公告,投资监理成都国民天成化合物半导体有限公司,建设和运营6英寸第二代和第三代半导体集成电路外延片项目,项目首期投资4.5亿元。

碳化硅器件

碳化硅器件生产的国外核心企业,是市占率18.5%的德国英飞凌Infineon,和以安森美领衔的第二梯队,包含意法半导体、三菱电机、东芝、威世半导体、富士电机、瑞萨科技、罗姆、赛米控等美日欧大型半导体IDM企业。国际上600-1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化,主流产品耐压水平在1200V以下。

随后是台系和陆系企业如,陆系如IDM企业杨杰电子、、苏州能讯高能半导体、株洲中车时代、中电科55所、中电科13所、泰科天润、世纪金光;Fabless有上海瞻芯、瑞能半导体,Foundry有三安光电;模组方面,的嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气,等等。

在器件的产线技术水平上,中车时代、世纪金光、全球能源互联网研究院、中电55所的6英寸SiC功率器件线已经启动,国内已有四条6英寸SiC中试线相继投入使用。其中,中车时代6寸SiC SBD、PiN、MOSFET等器件的研发与制造,都做得有声有色。

2016年12月,芯光润泽第三代半导体碳化硅功率模块产业化项目正式开工建设。2018年9月,芯光润泽的国内首条碳化硅 IPM器件产线厦门正式投产

深圳基本依靠独有的3D SiCTM技术,基本半导体碳化硅功率器件性能达到国际先进水平,可广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。

扬杰科技的器件产品包括功率二极管、整流桥、肖特基二极管和MOSFET。其4英寸线已经扩产一倍,6英寸线产线2018年底满产。同时公司战略布局8寸线IGBT芯片和IPM模块业务等高利润产品,多产品线协同发展助力公司提升在功率器件市场份额。

2018年5月,上海瞻芯制造的第一片国产6英寸碳化硅MOSFET器件晶圆面世。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期。(注:日前他们正式发布了)

在碳化硅器件的技术水平上,国内企业相对集中于基础二极管及中低压器件等低端领域,在对器件性能、可靠性要求较高的高端产品市场渗透率相对较低。

高压器件方面的国产化,最近也开始出现一些好消息。

比如:泰科天润的碳化硅肖特基二极管、碳化硅MOSFET和碳化硅模块等,其中600V/5A-50A、1200V/5A-50A和1700V/10A等系列的碳化硅肖特基二极管产品已投入批量生产。此外,泰科天润已建成国内第一条碳化硅器件生产线,SBD产品覆盖600V-3300V的电压范围。也是高压产品的可喜突破。

另外,2020年华润微也向市场发布了其第一代SiC工业级肖特基二极管(1200V、650V)系列产品,算是我国在高压器件国产化方面的一个示例。

最后补充一点。上面是三个方面分别介绍的。实际上,国内能从衬底-外延片和器件三个方面做全流程布局的企业,以三安光电和世纪金光这两家为代表。当然,如果将国字号的所有院所企业合起来,也可以算是第三家全流程布局的企业。

碳化硅生产设备

与二代半导体类似,我国碳化硅生产设备也大量来自进口美欧日的产品。比如,外延片生产国内第一的瀚天天成公司,碳化硅外延晶片生长炉和各种进口高端检测设备都是引进德国Aixtron公司的,外延生长技术已达到国际先进水平的东莞天域公司,其核心的四台SiC-CVD及配套检测设备也都是进口产品。

碳化硅的设备国产化在这两年也有一些进展。

比如用于衬底生产的单晶生长设备--硅长晶炉:2019年11月26日,露笑科技与中科钢研、国宏中宇签署合作协议,依托中科钢研及国宏中宇在碳化硅晶体材料生长工艺技术方面已经取得的与持续产出的研发成果,结合露笑科技的真空晶体生长设备设计技术及丰富的装备制造技术与经验,共同研发适用于中科钢研工艺技术要求的4英寸、6英寸、8英寸乃至更大尺寸级别的碳化硅长晶设备,目前首批2台套升华法碳化硅长晶炉已经完成设备性能验收交付使用。

2020年2月28日,中国电科(山西)碳化硅材料产业基地在山西转型综合改革示范区正式投产,第一批设备正式启动。据报道,基地一期项目可容纳600台碳化硅单晶生长炉,项目建成后将具备年产10万片4-6英寸N型(导电型)碳化硅单晶晶片、5万片4-6英寸高纯半绝缘型碳化硅单晶晶片的生产能力。

再如碳化硅外延片生产设备--硅外延炉:

晶盛机电研发的6英寸碳化硅外延设备,兼容4寸和6寸碳化硅外延生长。在客户处4寸工艺验证通过,正在进行6寸工艺验证。该设备为单片式设备,沉积速度达到50um/min,厚度均匀性<1%,浓度均匀性<1.5%,应用于新能源汽车、电力电子、微波射频等领域。公司开发的碳化硅外延设备。更好的消息失,其研发的8英寸硅外延炉已通过部分客户产品性能测试,技术验证通过,具有外延层厚度均匀性和电阻率均匀性高的特点,各项技术指标达到进口设备同等水平,具备批量生产基础。

小结和展望

碳化硅领域,特别是碳化硅的高端(高压高功率场景)器件领域,基本上仍掌握在西方国家手里,SiC产业呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局,前五大厂商份额约90%。CREE、英飞凌和罗姆,呈现出寡头垄断式的市占率。

我国在碳化硅领域,过去一直呈现较大的救赎代差,落后国际水平5-8年左右。但是,从2018年之后的3年里,呈现出加速追赶的态势。

衬底方面,4家厂商研发成功6英寸产品并启动了工业化生产,8英寸衬底初步研发成功。与国外的差距缩小到半代,大概3-4年左右。

外延片方面,进展稍慢。6英寸产品出现在市场上,但8英寸产品的研发成功尚未见到公开报道。本土外延片的第一厂商瀚天天成公司,是与美国合资的,自主可控能力依然有一定的不确定性。

器件方面,特别是高压高频高功率器件方面,我们的差距仍然较大。1700伏以上的本土产品凤毛麟角,依然有很多路要赶。

设备方面:碳化硅生产的高端设备,基本掌握在欧美手中。国内核心设备正在加紧国产化。但检测设备与国内其他行业的同类产品一样,是非常大的短板。

笔者认为,第三代半导体的国产化比第二代半导体要稍微乐观一些:

首先,碳化硅和第三代半导体,从总体上来说,在技术上和市场上并未完全成熟。

从技术上说,大量工艺问题和材料问题仍然亟待业内解决。碳化硅晶片存在微管缺陷密度。外延片的生长速率较低,工艺效率低相比二代硅材料很低。掺杂工艺有特殊要求,工艺参数都还需要优化。碳化硅本身耐高温,但配套材料比如电极材料、焊料、外壳、绝缘材料的耐温程度还需要提高。

从商业化成本上来说,上游晶圆制造方面,厚度只有0.5毫米的碳化硅三代半导体6英寸晶圆,市场售价2000美元。而12吋的二代硅晶圆的平均单价在110美元。而下游器件市场上,碳化硅器件的市场价格,约为硅材料制造的5到6倍。业内普遍认为,碳化硅器件的价格只有不高于硅器件的2倍,才有可能具有真正的市场竞争优势。

因此,碳化硅和第三代半导体,在整个行业范围内仍然是在探索过程中发展,远未达到能够大规模替代第二代半导体的成熟产业地步,潜在市场的荒原依然巨大。市场内最先进的玩家,也仍然面临诸多短板有待弥补,因此鹿死谁手尚未分明,任何已经出具规模的参与者,都还有翻盘超越的机会。

第二,我国是碳化硅最大的应用市场。LED照明、高压电力传输、家电领域、5G通信、新能源汽车,这些碳化硅和其他三代半导体的核心应用场景,都以我国作为最大主场。全球生产的碳化硅器件,50%左右就在我国消耗。有市场,有应用场景,就有技术创新的最大原动力和资本市场的投资机会。有最大工业制造业的规模,有国家产业政策的适度引导,碳化硅的产业发展就有成功的基础和追赶的希望。

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