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在今年的上半年，持續了10天的上海車展，其中傳統燃油車的存在感顯著減弱，相反，對擁有巨大市場潛力的碳化硅需求的新能源汽車（電動汽車）顯示出了強勁的趨勢。在這次車展中，碳化硅無疑成為了被反復提起的“焦點話題”。

為什么要用碳化硅????

硅是半導體行業的第一代基礎材料，目前全球95%以上的集成電路都是以硅為襯底制造的。不過，由于轉換效率、開關頻率、工作溫度等多方面受限，當電壓大于900V時，要實現更大的功率，硅基功率MOSFET和IGBT就暴露了出了短板。高功率、高耐壓、高頻率器件的需求正在快速增長，第三代半導體的典型代表碳化硅已成為高功率器件的理想材料。

近些年，盡管整個半導體行業經歷了周期性的下滑，但以碳化硅為代表的功率半導體市場并未表現出任何衰退跡象。相反，市場逆勢而上，處處可見新產品的發布、投資行為以及產能擴大的努力，目標只有一個：降本增效。那么，如何實現這個目標呢？我們必須從碳化硅器件的原材料——晶錠講起。

更快商用需要降本增效

從整個碳化硅行業情況來看，盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模，但碳化硅單晶和外延材料價格居高不下，目前6英寸碳化硅襯底零售價為750～900美元，8英寸售價為1300～1800美元；材料缺陷問題仍未完全解決，高壓碳化硅器件工藝不夠成熟，封裝無法滿足高頻、高溫應用需求等。

碳化硅外延材料的最基本參數也是最關鍵參數，就是其厚度和摻雜濃度均勻性。事實上，碳化硅外延中的缺陷要比其他晶體更多。這些缺陷大部分都是從襯底中直接復制過來的。這些襯底缺陷在主要來源于晶錠，當然也包括襯底研磨和拋光工藝。

碳化硅單晶材料尺寸是關鍵

雖然都是晶錠，但通常人們都把硅晶錠叫做硅棒，而把碳化硅叫做塊晶。這是因為硅晶錠的厚度（高度）要比其直徑長很多，像一根棒，而碳化硅晶錠就像一張餅，其厚度比直徑小很多。

正在進行粗加工的硅晶錠

不管是硅還是碳化硅，人們一直在謀求將晶錠的直徑做大，目的是為了切割出直徑比較大的晶圓，在上面做出更多芯片。同理，如果能把晶錠的厚度（或高度）做大，那么每個晶錠切割出來的晶圓片就會相應增加。對硅來說，這不算什么問題，但要把碳化硅晶錠厚度做到和硅一樣是不可能的。所以，半導體行業的主攻方向還是想把當前主流6英寸晶圓擴大到8英寸，而在晶體生長厚度方面雖然也有進展，但還是有很長的路要走。

成品碳化硅晶錠

那么，碳化硅晶體長不“高”到底難在哪兒？

硅晶錠可以長得很長，而碳化硅則不然。對于硅、鍺及砷化鎵、磷化銦等半導體材料，晶體材料都是在熔體中生長出來的。首先用橫截面通常為10mm×10mm的籽晶生長晶體，并使用籽晶和熔體界面之間形成的細頸放肩將晶體的直徑擴大到所需水平。擴徑完成后，晶體就會以既定的速率從熔體中拉出。其生長速率為1mm/h到150mm/h。目前，單晶硅棒長度已超過2米，直徑達12英寸。

由于碳化硅材料不存在于常壓液相，因此無法從熔體中生長晶體。如果將碳化硅保持在高溫和低壓下，它會不經過液相而分解成氣態物質。由于這種特性，碳化硅晶體要使用升華或物理氣相傳輸（PVT）技術生長。這種方法的首要條件是需要有同等直徑的籽晶。PVT生長速率通常在0.1mm～0.5mm/h。目前碳化硅晶錠的長度僅為50mm左右，直徑8英寸已經是最大尺寸了。

為了將碳化硅的質量提升到新的高度，同時更精確地控制材料生長，研究人員已經實現了PVT工藝的諸多改進，并探索了其他可行的方法，比如不用固體碳化硅粉末，而用氣體裂解供應碳和硅源的高溫化學氣相沉積（HT-CVD）；摻雜氮氣或其他氣體的改良PVT（M-PVT）；以及采用氣態或易揮發物質的鹵化物CVD和HT-CVD和PVT的組合等。

近年來，人們對在溶液中生長碳化硅晶體產生了濃厚的興趣，因為它具有生產大尺寸、高質量碳化硅襯底的潛力。但這項技術仍在研究中，尚不能實現商業化。其缺點之一是在大氣壓下缺乏化學計量的碳化硅液相，因此不可能實現一致熔融的熔體生長。

碳化硅晶錠厚度到底是多少？

此前有報道稱，當下國內主流碳化硅晶體生長速度在0.1～0.2mm/h，晶體厚度在15～25mm，晶體尺寸在從4英寸向6英寸切換。國際上主流碳化硅晶體生長速度在0.2～0.3mm/h，晶體厚度在30～40mm，晶體尺寸在由6英寸轉向8英寸。

專家指出，碳化硅晶圓昂貴的主要原因是缺乏高效的晶體制備技術，“誰能真正更快地解決此類問題，將能搶占市場，成為真正的行業龍頭。”經與國內幾家碳化硅晶錠廠商交流，普遍說法是：國內仍以6英寸為主，8英寸在研，厚度一般在20mm左右。國際上，晶錠厚度到底是多少，皆諱莫如深。

國內碳化硅晶錠尋求突破

國際上，晶錠厚度到底是多少，皆諱莫如深。但國內企業并無避諱。下面我們來看看過去一年在晶體直徑和厚度方面科研和企業有哪些進展？

2022年5月，中科院物理研究所科研人員通過優化生長工藝，改善了晶體結晶質量，成功制備出厚度接近19.6mm的單一4H（4H具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、熱導率高、飽和速度大等優勢，適用于功率電子）晶型的8英寸碳化硅晶錠，實現了國產大尺寸碳化硅單晶襯底的突破。請注意，這可是8英寸碳化硅晶錠。

6英寸方面，2022年6月，科友半導體宣布，其實驗線實現生長6英寸碳化硅晶體厚度的突破，達到32.146mm的“業內領先水平”。此前的2月突破20mm，4月突破了28mm。2022年7月，浙江大學杭州國際科創中心先進半導體研究院-乾晶半導體聯合實驗室和浙江大學硅材料國家重點實驗室在浙江省“尖兵計劃”等研發項目的資助下，成功生長出厚度達到50mm的6英寸碳化硅單晶。50mm應該是目前已知最大的尺寸，不過還是6英寸。實現突破的還有8英寸，2022年12月，科友半導體通過自主設計制造的電阻長晶爐產出直徑超過8英寸的碳化硅單晶，晶體表面光滑無缺陷，最大直徑超過204mm。這是繼6英寸碳化硅晶體厚度上實現40mm突破后，在碳化硅晶體生長尺寸上取得的又一次重大突破。這應該是目前尺寸最大的碳化硅晶錠。

2022年8月，晶盛機電成功研發出8英寸N型碳化硅晶體，自此邁入了8英寸時代。其8英寸碳化硅晶體晶坯厚度25mm，直徑214mm，是為大尺寸碳化硅晶體研發上取得的重大突破。它不但成功解決了8英寸碳化硅晶體生長過程中溫場不均、晶體開裂、氣相原料分布等難點問題，同時還破解了碳化硅器件成本中襯底占比過高的難題，為大尺寸碳化硅襯底廣泛應用打下了基礎。

實際上，截至目前，沒有西方碳化硅供應商向中國出口碳化硅晶錠，這是因為晶圓供應商更傾向于保留他們自己的“獨門秘訣”，以便支持其持續的發展。在中美的技術對抗和知識產權保護問題上，國內晶圓制造商必須自主掌握自己的技術配方和知識產權。

如今，國內生產的碳化硅單晶直徑已廣泛達到6英寸，但其厚度通常在20到30mm之間，這就導致我們從一個碳化硅晶錠中切割得到的襯底數量相當有限。如果能夠突破這一厚度問題，一方面我們可以節省寶貴的碳化硅種晶，另一方面也能大幅提升從一個碳化硅晶錠切割得到的襯底數量，從而有效降低碳化硅器件的制造成本。

其中，碳化硅商業應用的一個主要難題便是其高昂的成本，這主要由于每單位面積襯底所能生產的芯片過少，從而阻礙了產能的擴大?，F在的目標就是：在直徑能擴大的地方最大程度地擴大，在厚度能增加的地方盡量增加。可能有一天，某個方向就會取得驚人的突破。

行業普遍認為，碳化硅功率器件有助于顯著提高電能的利用率，已經成為功率半導體行業的關鍵發展趨勢。在可見的未來，電動汽車將會是碳化硅功率器件的主要應用領域。隨著碳化硅器件制造工藝技術的進一步成熟，限制碳化硅大規模應用的高成本也將逐步降低，因此，我們對碳化硅功率器件的未來充滿了期待。

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審核編輯：劉清