新一代宽带隙SiC衬底材料现状与发展趋势

新一代宽带隙SiC衬底材料现状与发

展趋势

(1)SiC衬底材料发展趋势

我们知道，衬底材料的品质决定了功率器件的成本及其特性。当前，SiC 衬底材料呈现出尺寸不断增大、品质不断提高、价格不断下降的趋势。随着SiC功率半导体器件实用化的研发，SiC衬底材料的需求量也在不断扩大，2006年SiC单晶衬底的市场规模为40亿日元。日本矢野经济研究所预计：使用Si 的高压分离器件将被SiC器件所取代，并预测SiC单晶衬底的市场规模2010年达到105亿日元，2015年将达到300亿日元，增大近3倍。

SiC衬底材料品质的提高主要体现在SiC衬底缺陷的不断减少方面，尤其是危害SiC功率器件的微管缺陷的不断减少，如制造难度相对较高的4英寸SiC衬底，已出现"零"微管的现象，且多家企业均有报道，其中代表性的企业还是美国Cree研究公司。

价格的下降原因主要是衬底厂商数量的不断增加。以前SiC单晶衬底的主要供应厂商是美国Cree，SiC衬底价格一直居高不下，尤其是Cree一直垄断着高品质的功率器件用SiC衬底，其市场份额高达85~90%。近几年来，德国SiCrystal公司、日本新日本制铁公司和美国II-VI公司是继美国Cree公司之后迅速发展起来的SiC衬底供应商，随着其产量的不断提升，有望出现竞争格局。另外，中国的天科也开始供应SiC衬底材料，报道称"中国厂商开始涉足底板业务。这将加快SiC底板价格的下降"。据2010年日经报道：主流的3英寸SiC衬底价格为7万日元左右，而2009年约为10万日元，下降幅度达到30%。无微管的4英寸SiC衬底价格在5000美元左右(实际上销售价格高达70000元人民币)。对于需求量大、微管密度小于5个/cm2的4英寸衬底，未来普及价格不高于1000美元。

(2)国际上从事SiC衬底业务的厂商

目前Cree是国际上最大的SiC衬底材料供应商。不过，日本Patent

Result对SiC衬底专利的调查结果却显示日本电装位居专利申请的首位，Cree

位居第二，而位居第三位的是新日本制铁。电装之所以位居第一，主要原因是

与丰田中央研究所共同申请的"a面生长"专利获得了较高评价，这个工作还曾

发表在"Nature"上。有关其产业化的报道很少，主要是制造成本太高。Cree的

有关缺陷密度的专利获得较高评价，她不但有直径4英寸的无微管SiC衬底，

位错密度达到5000个/cm2，而且，2010年8月还公布了微管密度小于10个

/cm2的6英寸(直径150mm)SiC衬底，计划2011年开始样品供货。

德国SiCrystal是仅次于美国Cree的第二大厂商，2009年，日本罗姆从

德国西门子(Siemens)公司手中购得SiCrystal公司74.5%的股份后成为最大股东。SiCrystal公司的日本销售代理商是Ceramic Forum。已有无微管的3英寸SiC衬底，3英寸和4英寸底板的高端产品的微管密度保证低于3个/cm2，位错密度为2万个/cm2。

与德国SiCrystal公司一样，新日本制铁也是仅次于美国Cree的第二大厂商，2007年6月开发出直径100mm的SiC衬底，品质极高的4英寸衬底微管密

度达到1个/cm2，"无微管区"达到90%以上，位错密度为数千~数万个/cm2，声

称其衬底质量是全球第一位的。新日本制铁的SiC衬底销售委托给了日本最大

的硅晶圆厂商――信越半导体，计划2015年前后该业务的年销售额达100亿日元。为了提高SiC衬底的结晶质量，采用了其开发的超高温温度控制技术。新

日铁曾开展过硅衬底业务，03年退出。开展SiC衬底业务的理由有两点："第一，与硅衬底时期不同，在开展业务的过程中可确保自主开发的技术；第二，

设备投资规模小，开展业务的风险较小"。

美国II-VI公司规模不太大，4H-SiC衬底的微管密度为1.3个/cm2、优质

品为"无微管"。位错密度低于1万个/cm2。II-VI公司已经开发完成直径5英

寸的SiC衬底，预计2012年左右销售6英寸产品。"力争到2014~2015年左右，销量达到现在的9倍"。

东丽道康宁也已开始供应衬底，"品质不亚于顶尖厂商--美国科瑞"。3英

寸的4H-SiC衬底微管密度不超过3个/cm2，"实际上为约0.2个/cm2"，错位缺陷密度在5000~7000个/cm2左右，表面缺陷所占比例达到5~15%。除3英寸衬

底外，东丽道康宁还提供3英寸的外延晶片。计划2010年7~9月开始供应4英寸衬底，预计2011年样品供应6英寸衬底。

普利司通可样品提供直径分别为2英寸和3英寸的4H-SiC衬底，"在2009

年内样品供应4英寸产品"。顶级产品的微管缺陷几乎为零，位错密度低于其他公司产品。普利司通除了供应功率器件用SiC衬底外，还提供LED用6H-SiC及高频器件用半绝缘6H– SiC衬底，预计今后将继续增大功率器件用SiC衬底的供应量。

北京天科合达蓝光半导体公司的SiC衬底，品质尚不及欧美厂商。微管密

度最多达到50个/cm2，直径为2-3英寸，已有4英寸产品，其日本代理商是New Metals&Chemicals。

SiC单晶生长一般使用"升华法"。住友金属工业综合技术研究所基于自身

积累的高温控制技术，从2000年开始研究熔液生长法，并在NEDO(新能源产业

技术综合开发机构)的协助下，04年成功生长出2英寸单晶，06年达到4英寸，通过改进晶种和坩埚旋转速度，生长速度提高到200μm/小时，08年生长出cm

级晶体。

除了德国SiCrystal公司外，欧洲还有瑞典的Norstel公司。不过，有关

该公司的报道很少，很可能是其产量很低。