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碳化硅:第三代半导体核心材料

作者:admin 发布时间:2020-08-15

碳化硅为第三代半导体高压领域理想材料。第一代半导体以硅(Si)为主要材质。硅基功率器件结构设计和制造工艺日趋完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,继续完善提高性能的潜力有限。

砷化镓(GaAs)、磷化铟(lnP)等作为第二代化半导体因其高频性能较好主要用于射频领域,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体,因禁带宽度和击穿电压高的特性。

以碳化硅为材料的功率模块具备低开关损耗、高环境温度耐受性和高开关频率的特点,因此采用碳化硅SiC材料的新一代电控效率更高、体积更小并且重量更低。

根据研究机构Rohm预测,2025年碳化硅功率半导体的市场规模有望达到30亿美元。在未来的10年内,碳化硅器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。未来碳化硅在功率半导体领域有很大的应用潜力。

CREE在氮化镓射频领域,专利护城河全球第一。根据专利研究机构KnowMade对3750项氮化镓射频领域专利的研究,基于数量与质量等多个维度的综合考量,CREE毫无疑问为全球第一,尤其在碳化硅基氮化镓领域。从市场空间看,CREE碳化硅、氮化镓下游目标市场均有高速成长的趋势。

目前英飞凌、三菱等传统功率器件大厂均在争相研发下一代碳化硅器件,丰田于2015年内推出了基于碳化硅功率器件的原型车用于测试新一代材料的输出性能。

国内目前也已经形成相对完整的碳化硅产业链体系,衬底材料:山东天岳、天科合达、河北同光晶体、北京世纪金光EPI硅片:东莞天域半导体、厦门瀚天天成器件:泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电55所、中电13所、科能芯、中车时代电气模组:嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气。

从产业链角度看,碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节,目前全球碳化硅市场基本被国外企业所垄断。中国企业在衬底、外延和器件方面均有所布局,但是体量均较小。

国外供应链体系主要有:衬底:Cree、Rohm、EPISILEPI外延片:Cree、Rohm、英飞凌、GE、三菱器件:英飞凌、Cree、Rohm、意法半导体、美高森美、GenSiC、三菱碳化硅器件方面,国际上碳化硅SBD、碳化硅MOSFET均已实现量产,产品耐压范围600v-1700v,单芯片电流超过50A。

目前碳化硅主流尺寸处于4英寸向6英寸过渡阶段。单晶尺寸的增加往往会伴随结晶质量的下降,SiC衬底从1~8英寸不等,主流尺寸为4~6英寸。

由于尺寸越大,生产效率越高,但生产品质控制难度越高,因此目前6英寸主要用于二极管,4英寸主要用于MOSFET。由于6英寸的硅晶圆产线可以升级改造成用于生产SiC器件,所以预计6英寸SiC衬底的高市占率会维持较长时间。

功率器件是化合物半导体的主要应用之一,随着各国逐步推进电动车等新能源汽车,同时智能驾驶、车联网带动汽车硅含量提升,将是车规级功率、射频器件的主要驱动力。

目前SiC半导体仍处于发展初期,晶圆生长过程中易出现材料的基面位错,以致SiC器件可靠性下降。另一方面,晶圆生长难度导致SiC材料价格昂贵,预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。