碳化硅襯底：寬禁帶半導體的核心材料，到底貴在哪里？
碳化硅襯底是新近發(fā)展的寬禁帶半導體的核心材料，碳化硅襯底主要用于微波電子、電力電子等領域，處于寬禁帶半導體產(chǎn)業(yè)鏈的前端，是前沿、基礎的核心關鍵材料。4H-SiC具有3.2（eV）的禁帶寬度，2.00飽和電子漂移速率（107cm/s），3.5擊穿電場強度（MV/cm）以及4.00熱導率（W·cm-1·K-1），具有數(shù)倍于硅基的優(yōu)勢?；谝陨蟽?yōu)良的材料屬性特性，碳化硅襯底的使用極限性能優(yōu)于硅襯底，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求，已應用于射頻器件及功率器件。
碳化硅襯底可分為半絕緣型與導電型兩種，其中，半絕緣型碳化硅襯底具有高電阻率（電阻率≥105Ω·cm），半絕緣型襯底加之異質氮化鎵外延片可以作為射頻器件的材料，主要應用與上述所述場景的5G通訊、國防軍工等領域。導電型碳化硅襯底具有低電阻率（電阻率區(qū)間為15~30mΩ·cm），導電型碳化硅襯底配之碳化硅的同質外延可以用來做功率器件的材料，主要的應用場景為電動汽車、系能源等領域，兩者均具備應用場景廣泛、波及行業(yè)眾多、市場范圍廣闊等特點。
碳化硅襯底貴在哪里？
在碳化硅的制備過程中，一次性價格高昂耗材占比過重是導致碳化硅襯底生產(chǎn)成本高的原因之一。坩堝（石墨件）指以一定粒徑的石墨粉高壓壓制后高溫長時間煅燒制成的器皿，具有耐高溫、導熱性能強、抗腐蝕性能好、壽命長等特點，是碳化硅晶體生長過程中的耗材之一，其在碳化硅襯底生產(chǎn)原料中到2021年占比達到45%以上，而且其占比還呈現(xiàn)一種上升趨勢，這是碳化硅制備成本高昂的很大一個原因。
制備工藝條件要求高
物理氣相傳輸（PVT）法是一種常見的碳化硅晶體生長方法——在2,300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料，使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應氣體；由于固相升華反應形成的Si、C成分的氣相分壓不同，Si/C化學計量比隨熱場分布存在差異，需要使氣相組分按照設計的熱場和溫梯進行分布和傳輸，使組分輸運至生長腔室既定的結晶位置；為了避免無序的氣相結晶形成多晶態(tài)碳化硅，在生長腔室頂部設置碳化硅籽晶（種子），輸運至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅動下在籽晶表面原子沉積，生長為碳化硅單晶。
以微觀密度為例解釋良率低
碳化硅核心技術參數(shù)包括直徑、微管密度、多型面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度。其中，碳化硅結晶中的微管密度是導致產(chǎn)品良率低以及合規(guī)碳化硅成本高昂的又一大因素。微管是延伸并貫穿整個晶棒的中空管道。微管的存在對于器件的應用是致命的，襯底中的微管存在的密度將直接決定外延層的結晶質量，器件區(qū)存在微管時將導致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，造成器件失效。因此，降低微管密度是碳化硅產(chǎn)業(yè)化應用的重要技術方向。
隨著微管缺陷改進技術的不斷進步，國際領先的碳化硅企業(yè)可以將微管密度穩(wěn)定地控制在1cm-2以下。這只是其中一種指標的評判，可想而知，制造出以上諸多核心指標納米級別范圍內的優(yōu)質襯底可見成本控制之難。
污染處理
雖然碳化硅的制造企業(yè)不屬于重污染企業(yè)，但在國家加強生態(tài)建設、碳中和、碳達峰的大環(huán)境下，所以制備材料的污染處理是一個不可忽視的環(huán)節(jié)，同時也是加大生產(chǎn)成本投入的重要因素之一。在碳化硅襯底材料的生產(chǎn)過程中，對于污染物的處理主要有：廢水通過經(jīng)污水處理站處理達標后排入市水質凈化廠進一步處理；一般固廢中生活垃圾委托環(huán)衛(wèi)部門處理，其他通過回收單位進行資源再利用；危險廢物通過委托有資質第三方機構處理；廢氣通過排污裝置合規(guī)排放；噪音通過車間隔音措施等方式處理。
污染的處理費用雖然是材料制備環(huán)節(jié)中的間接費用，但是作為一種新型材料，其污染問題的處理也一直是大家關注的焦點問題，污染物的處理無疑又是高昂的碳化硅成本的助推者之一。
由于以上幾點的都具有很高的技術壁壘、資金壁壘，突破需要巨大的研發(fā)投入以及長時間的人才培養(yǎng)，所以對于碳化硅的具體市場滲透來說，降成本、擴尺寸，加大市場滲透率還需要很長的路要走！
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