碳化硅半导体|碳化硅衬底的主要特点碳化硅半导体

碳化硅半导体，是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积，主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。我国“十四五”规划已将碳化硅半导体纳入重点支持领域，随着国家“新基建”战略的实施，碳化硅半导体将在5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心等新基建领域发挥重要作用。因此，以碳化硅为代表的宽禁带半导体是面向经济主战场、面向国家重大需求的战略性行业。
碳化硅在制造射频器件、功率器件等领域具有明显优势。但是在射频器件、功率器件领域，碳化硅衬底的市场应用瓶颈为其较高的生产成本。影响碳化硅衬底成本的制约性因素在于生产速率慢、产品良率低，主要系：目前主流商用的PVT法晶体生长速度慢、缺陷控制难度大。相较于成熟的硅片制造工艺，碳化硅衬底短期内依然较为高昂。例如，目前碳化硅功率器件的价格仍数倍于硅基器件，下游应用领域仍需平衡碳化硅器件的高价格与因碳化硅器件的优越性能带来的综合成本下降之间的关系，短期内一定程度上限制了碳化硅器件的渗透率，其成本高限制了其在下端市场的应用场景以及市场渗透，那么碳化硅具体贵在什么地方呢？
一、碳化硅衬底认识
（一）衬底认识
（1）材质属性
碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，碳化硅衬底主要用于微波电子、电力电子等领域，处于宽禁带半导体产业链的前端，是前沿、基础的核心关键材料。 4H-SiC具有3.2（eV）的禁带宽度， 2.00饱和电子漂移速率（107cm/s）， 3.5击穿电场强度（MV/cm）以及4.00热导率（W·cm-1·K-1），具有数倍于硅基的优势。其中禁带指在能带结构中能态密度为零的能量区间，常用来表示价带和导带之间的能量范围；饱和电子漂移速率指电子漂移速率达到一定范围后，不再随着电场作用而继续增加的极限值；电子漂移速率指电子在电场作用下移动的平均速度；热导率指物质导热能力的量度，又称导热系数；击穿电场强度指电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体，称为电介质击穿，所对应的电场强度称为击穿电场强度。以下为具体第一、二、三代部分材料性能指标：
表一、材料的性能对比

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注1：碳化硅有200多种结构，以上为常见的4H-SiC
基于以上优良的材料属性特性，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。
（2）碳化硅衬底分类
碳化硅衬底可分为半绝缘型与导电性两种，其中，半绝缘型碳化硅衬底是具有高电阻率（电阻率≥105Ω·cm），半绝缘型衬底加之异质氮化镓外延片可以作为射频器件的材料，主要应用与上述所述场景的5G通讯、国防军工等领域；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，导电性碳化硅衬底配之碳化硅的同质外延可以用来做功率器件的材料，主要的应用场景为电动汽车、系能源等领域，两者均具备应用场景广泛、波及行业众多、市场范围广阔等特点。其材质至应用的主要流程如下图所示：