杏彩体育app第三代半导体碳化硅衬底分类、技术指标、生长工艺、产

　　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。

　　氮化镓具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。氮化镓器件已有众多应用：在光电子器件领域，氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用，还可制备成氮化镓基激光器；在微波射频器件方面，氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事或者民用领域；氮化镓也可用于功率器件，其比传统器件具有更低的电源损耗。

　　碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的化合物半导体单晶材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，开发出更适应高压、高温、高功率、高频等条件的新一代半导体器件，具备广泛应用于5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车及充电桩、大数据中心等“新基建”领域的潜力。

　　衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣，为使材料能满足不同芯片的功能要求，需要制备电学性能不同的碳化硅衬底。按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为两类：根据工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》，一类是具有高电阻率(电阻率电阻率≥100,000Ω·cm)的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率(电阻率区间为15~30mΩ·cm)的导电型碳化硅衬底。

　　碳化硅衬底的尺寸(按直径计算)主要有2英寸(50mm)、3英寸(75mm)、4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前业内主要量产产品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者科锐公司的研发进程为例，科锐公司已成功研发并量产8英寸产品。

　　为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。

　　在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。

　　衬底制造中会产生无法达到半导体级要求的晶棒、不合格衬底等。这类非半导体级的半绝缘型碳化硅晶棒可作为宝石品棒用于加工制成莫桑钻等珠宝首饰进入消费品市场，或用于设备研发与测试等领域。不合格衬底可用于设备研发测试或科研等用途。

　　碳化硅衬底行业属于技术密集型行业，是材料、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟、机械等多学科交叉知识的应用。目前，业内以高纯碳粉高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法(PVT法)生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅衬底。

　　碳化硅衬底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：

　　将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在2000℃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品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。

　　业内一般采用PVT法制备碳化硅单品。PVT法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在 2300℃ 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品位置；

　　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，生长为碳化硅单品。

　　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单品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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上，主要使用化学气相沉积法长(CVD法)在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。

　　半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。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，可进一步制成氮化镓射频器件。

　　导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件。

　　射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放大器、双工器等。半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件主要为面向通信基站以及雷达应用的功率放大器。

　　目前主流的射频器件有砷化镓、硅基LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。根据 Analog Dialogue，砷化镓器件已在功率放大器上得到广泛应用；硅基LDMOS器件也已在通讯领域应用多年，但其主要应用于小于4GHz的低频率领域；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。