8英寸碳化硅晶圆 第三代半导体工艺

[发布日期：2021-10-14 14:51:05]　点击：

　　第三代半导体也称为宽禁带半导体，不同于传统的半导体主要赖硅晶圆，它在材料层面上实现了更新。而与第一代、第二代半导体并非替代关系，而是形成互补，三者特性各异、用途不同。

　　具体来看，第一代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)为主，是CPU处理器等集成电路主要运用的材料;第二代半导体包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，目前手机所使用的关键通信芯片都采用这类材料制作。

　　第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。在通信、汽车、高铁、卫星通信、航空航天等应用场景中有优势。其中，碳化硅、氮化镓的研究和发展更为成熟。

　　SiC器件的需求比产量涨的快

　　受材料本身特性的限制，传统硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求，但SiC作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作，因此近年来倍受欢迎。

　　目前，SiC*大的应用市场在新能源汽车的功率控制单元、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等。以电动汽车为例，采用碳化硅芯片，将使电驱装置的体积缩小为五分之一，电动汽车行驶损耗降低60%以上，相同电池容量下里程数显著提高。

　　特斯拉此前在Model3率先使用意法半导体和英飞凌的SiC逆变器;2020年国产比亚迪新能源汽车“汉”的电机控制器中开始应用SiC-MOSFET模块;今年3月，器件厂商斯达半导也宣布加码车规级SiC模组产线。据Yole预计，到2025年，新能源汽车和充电桩领域的SiC市场将达到17.78亿美元，约占SiC总市场规模的七成左右。

　　碳化硅具有1X1共价键的硅和碳化合物，其莫氏硬度为13，仅次于钻石(15)和碳化硼(14)。*早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中，发现了少量这种物质，所以它又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。据说，SiC在天然环境下非常罕见，虽然通过人工合成可以制造，但因在长晶的源头晶种就要求相当高的纯度，且后段加工极其困难，SiC功率元器件量产化曾一度令研究者们头疼。

　　数据显示，目前全球SiC硅晶圆总年产能约在40-60万片，而且同时期的硅晶圆已经由200mm(8英寸)向300mm(12英寸)进发，但碳化硅晶圆的主流尺寸一直是150mm(6英寸)，每片晶圆能制造的芯片数量不大，远不能满足下游需求。

　　以特斯拉Model 3主逆变器为例，需要24个电源模块，每个电源模块均基于两个SiC MOSFET裸片，每辆汽车总共有48个SiC MOSFET裸片。按照这个估算若循序渐进采用SiC后，平均2辆特斯拉的纯电动车就需要一片150mm SiC晶圆。Wedbush证券分析师Dan Ives曾称，到2022年特斯拉的交付量可能会达到100万辆，如果预测成真，那届时仅特斯拉就将消耗掉全球SiC硅晶圆总产量。

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