芜湖启迪钮应喜：碳化硅外延发展至今从理论到技术已经取得很大的进展

6月10日，由爱集微主办，张江高科协办的《后摩尔时代下第三代半导体的技术趋势》论坛于上海举办，邀请到来自第三代半导体产业链各环节厂商，电动车、快充、新型新显示厂商，以及产业研究学者，行业分析师等，共同探讨行业发展趋势。

其中，芜湖启迪半导体有限公司研发总监钮应喜博士带来以《碳化硅材料外延技术进展》为主题的演讲。

需求强劲，应用前景广阔

首先，从产业背景来看，功率器件无处不在。碳化硅作为第三代半导体的典型代表，可为“新基建”需要的元器件提供核心材料。

钮应喜博士表示，碳化硅材料具备禁带宽度大、热导率高、击穿场强大等特点，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，开发出耐压高、开关速度快、导热性好、导通电阻小的碳化硅器件。

因此，GaN/SiC器件的应用可以提供高频、高效、高功率密度的设计。

钮应喜博士指出，SiC装置具备提高转换效率、减小能量损耗、增加功率容量、减小体积重量、提高可靠性等应用优势，对于提升效率降低装置损耗，实现节能具有重要意义!

从市场前景来看，2019年，SiC电力电子器件市场规模在5.6亿美金，预计2024年达到19亿美金以上，中低压需求较强的是新能源汽车。

以特斯拉为例，采用碳化硅技术的电机驱动系统汽车，续航能力提升10%，达595公里。比亚迪汉EV电机控制器首次使用了高性能碳化硅MOSFET控制模块，续航能力达到了605公里。

从成本来看，相对于硅，采用碳化硅模块的汽车产生的额外费用根据EV类型的不同从几百欧到数千欧不等。

钮应喜博士认为，全球新能源汽车市场加速发展，电动化转型进程加快。

从销售数据来看，2020年全球汽车市场销量整体下滑，但新能源汽车销量逆势增长43%，以德国为代表的欧盟国家和大众、丰田、沃尔沃等车企加速转型。根据预测，2030年，全球新能源汽车保有量最高将达到2.45亿辆。

智能电网是碳化硅器件重要的应用领域，电力系统特点在于清洁、绿色能源、柔性交直流输电、远距离、大容量，对装置的需求包括工作电压高达1100kV、工作电流高达6250A、传输容量110GW，对器件的要求为额定高压10kV以上、大容量（数千安培）、全控、高可靠性、高温。

因此，更高电压、更大容量、 更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。

碳化硅晶体、外延及芯片技术进展

碳化硅晶体技术的进展方面，钮应喜博士表示，SiC产业链包括晶体、衬底、外延、器件、模块和系统。SiC材料方面国内主要是4英寸，6英寸在扩量中，8英寸处于研发阶段，而国际上，Cree正在建设8英寸生产线。器件方面，目前国内新建的器件产线以6英寸为主，8英寸也规划中。

从碳化硅晶体的市场需求来看，4英寸晶体市场需求正在逐步萎缩，6英寸晶体市场将呈现出快速增长的趋势。

价格方面，2018年至2024年，4英寸碳化硅晶片的价格将以每年8%的幅度下滑，而6英寸碳化硅晶片的价格将以每年12%的幅度下滑。

目前，SiC单晶主要方法及设备有三种，分别为PVT、HT-CVD和LPE，其中，PVT法最成熟，应用最广，市面上超过95%的厂家采用该方法，但缺点也很明显，其生长厚度受到限制，合格率低。

值得注意的是，SiC衬底市场长期被美国、欧洲、日本垄断，面对快速增长的市场形势，国内厂商纷纷布局，近几年，国内开展相关项目达30余个。

设备方面也主要以进口设备为主，但国内目前也有5家左右设备厂家开始研制SiC 外延炉，未来碳化硅外延厂也会陆续增多。

钮应喜博士指出，碳化硅外延发展至今从理论到技术已经取得很大的进展。首先是台阶流模型的提出，不仅实现低温生长，更重要的实现稳定晶型的控制；其次引入TCS生长体系，不光是生产速率得到提升，同时晶体质量得到显著的提高，该体系是厚膜外延生长的基础；这个技术率先由LPE在14年实现商业化，在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造，将这个技术移植到了商业的设备中。

再到高质量、低成本的需要，未来4H-SiC外延生长将向多片式、大尺寸、高均匀性、低缺陷方向发展；最后，为了使器件的性能能够进一步提升，通过外延来实现部分器件结构，主要是开发SiC外延沟槽填充技术，进一步降低器件的导通电阻；在高压应用方面，厚膜生长技术比较滞后，未来需要解决的技术有：厚膜少子寿命，缺陷控制，材料的均匀性。

最后，钮应喜博士指出在SiC晶体段，应优化技术，降低成本，加快6英寸产能扩充，突破8英寸技术攻关；在SiC外延领域，应加快8英寸外延生长技术及设备的研制，针对高压领域，突破厚膜外延产业化技术；在芯片端，应加快高端车规级产品的量产技术。

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