器件|半导体行业深度研究报告( 四 )

核心受益环节方面，由于目前碳化硅芯片成本结构中60%-70%是衬底和外延片，其中衬底约占40%-50%,因此材料厂商是核心受益环节；而砷化镓的衬底和外延技术稳定且成本占比相对较低，但是发展模式上越来越多砷化镓射频供应商提高使用代工的比例，因此射频IDM厂商和砷化镓代工厂都是核心受益环节。对于氮化镓，由于制造主要以IDM为主，因此核心受益环节是外延片供应商如Sumitomo及IDM厂商如Qorvo。

SiC成本高昂之源及可靠性问题

高纯度碳粉和硅粉提纯不易、晶体生长缓慢、晶体切割速度慢且良品率低共同导致碳化硅成本短期内难以快速下降。碳化硅器件制作的主要工艺流程包括单晶生长、晶片加工、外延、前道加工及后道封装。

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碳化硅衬底制造的核心关键技术点包括电子级高纯粉料合成与提纯技术、数字仿真技术、单晶生长技术、单晶加工（切抛磨）技术。碳化硅衬底配方改进困难、晶体生长缓慢、成品良品率低。具体而言：

高纯碳粉是生长高质量SiC晶体的基础，尤其对半绝缘型SiC晶体生长有至关重要的影响，涉及到制备技术、合成技术和提纯技术。其中高纯度碳粉提纯对工艺要求极高，而合成涉及到的配方技术需要长时间的摸索和积累。

数字仿真技术：单晶生长温度在2350-2500度，由于炉内温度不可测量，通过高精度数字仿真技术可以节约大量的研发时间和成本，仿真水平的高低也直接代表单晶企业的核心技术能力。

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单晶生长技术：单晶生长缓慢是碳化硅衬底成本高居不下的重要原因。目前Cree和国内主流厂家都采用PVT物理气相传输法。由于碳化硅晶体生长速度远慢于硅晶体，8寸硅晶圆2-3天可以生长至1-2米，而碳化硅4寸晶圆一周只能生长2-6cm。影响晶体生长的一个重要因素是仔晶繁殖，仔晶是和碳化硅单晶晶体具有相同晶体结构的“种子”晶片，是晶体生长之源，晶体生长附着凝结于仔晶之上。仔晶生长是碳化硅制备的核心技术，也是评判所有碳化硅衬底企业的核心技术之一。仔晶一般不对外销售。

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单晶加工技术：由于碳化硅硬度非常高且脆性高，使得打磨、切割、抛光都耗时长且良品率低。硅片切割只用几小时，而6寸碳化硅片切割要上百小时。

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由于碳化硅功率器件主要用于汽车行业，因此对可靠性要求极高。硅功率器件在长时间的质量测试过程中被证实可靠，但是碳化硅则无法假设这一点。SiC器件主要存在两个可靠性问题——栅极氧化物稳定性和阈值电压稳定性。

栅极氧化物稳定性：与功率MOSFET类似，SiC器件也是垂直器件，使用与MOSFET相同的栅极氧化物材料（二氧化硅），但是SiC器件在更高的内部电场工作，因此栅极氧化物在实际工作中寿命可能缩短。目前SiC中的栅极氧化问题已经被理解，TDDB(时变电介质击穿)是时效机制，目前已经已经得到很大解决。

阈值电压稳定性：MOSFET的阈值电压会随着偏置而变化，是由偏置温度不稳定（BTI）的时效机制所引起。BTI是晶体管的退化现象。

预计SiC“奇点时刻”五年之内到来