#碳化硅
100%中國國產化!中國國產12英吋碳化矽破局,產能提升2.5倍,成本下降40%!
近日,晶盛機電在其投資者關係活動中確認,公司首條12英吋碳化矽襯底加工中試線已於2025年9月26日在子公司浙江晶瑞SuperSiC正式通線。這一技術突破標誌著中國在第三代半導體材料領域取得了重要進展。這次中試線通線的核心突破在於全鏈條的自主可控,實現了從晶體生長、加工到檢測環節的全線裝置自主研發與100%國產化。產線中的所有環節均採用國產裝置與自主技術,特別是高精密減薄機、倒角機、雙面精密研磨機等核心加工裝置均由晶盛機電歷時多年自研完成,性能指標達到行業領先水平。這標誌著晶盛機電正式形成了12英吋SiC襯底從核心裝備到材料生產的完整產業閉環。對於整個產業而言,大尺寸化是降本的關鍵路徑。根據晶盛機電在投資者問答中提供的資料,相較於目前主流的8英吋產品,12英吋碳化矽襯底單片晶圓晶片產出量可增加約2.5倍,能夠在大規模生產中顯著降低長晶、加工、拋光等環節的單位成本。業內資料顯示,12英吋襯底量產後,單片成本可降低40%,車規級模組單價有望從當前的150美元降至90美元。這將為新能源汽車、太陽能、5G通訊等下游應用的成本最佳化提供關鍵支撐。當前,全球碳化矽產業競爭格局正在經歷重大變革。根據調研資料,2024年全球SiC碳化矽晶片市場規模約為48.34億美元,預計2031年將達到182.8億美元。在這一快速增長的市場中,中國碳化矽企業正快速崛起。資料顯示,中國SiC襯底全球佔比從2024年35%升至2025年60%,裝置國產化率超80%。其中,晶盛機電的長晶爐在國內市場佔比達70%。同時,中國碳化矽整個產業鏈的國產化替代正在加速。在裝置端,PVT(物理氣相傳輸)爐市場北方華創佔比61%。外延裝置、離子注入裝置需求突出,2024年碳化矽器件生產裝置規模35.07億美元,2026年預計達51.29億美元。當然,我們也要看到目前全球碳化矽器件市場仍由意法半導體、英飛凌等國際廠商主導,佔據83%份額。碳化矽作為第三代半導體材料的核心代表,憑藉其優異的耐高溫、耐高壓、高頻特性,正在多個戰略性新興行業獲得廣泛應用。新能源汽車是碳化矽功率半導體器件應用最廣泛的領域,2024年佔全球市場的73.1%。碳化矽器件在汽車產業中主要用於電機驅動、OBC及DC/DC轉換器,正逐步取代傳統矽基IGBT功率模組。更為引人注目的是,AI資料中心正在成為碳化矽的新增長極。2025年,全球AI資料中心進入高密度、高功率時代,單櫃功率從幾十千瓦提升到數百千瓦。AI伺服器對供電和散熱系統的要求全面升級,碳化矽憑藉其高耐壓、低損耗特性,成為電源供應單元(PSU)前端AC-DC變換核心器件。金元證券報告預測,2025年資料中心PSU市場規模預計75億美元,2030年將達141億美元。碳化矽還正在破解高端AI晶片的散熱難題。隨著GPU/AI晶片功耗達千瓦級,碳化矽熱導率(400-500W/m·K)是矽的3倍。兼具高熱導與高絕緣性的特點,使碳化矽可用於熱介面材料與矽中介層替換,成為下一代高算力晶片可靠運行的關鍵材料。不過,隨著天岳先進上海臨港基地的12英吋導電型襯底良率達65%,計畫在2025年第四季度實現量產;以及英飛凌與天科合達合作開發12英吋溝槽柵SiC MOSFET計畫在2026年上車的消息,大尺寸碳化矽時代正加速到來。與此同時,全球龍頭Wolfspeed已宣佈其美國工廠8英吋襯底月產能5萬片停產,佔全球25%。這意味著,全球碳化矽產業正迎來關鍵轉折點。因此,中國作為全球最大的新能源汽車製造國和全球最大的市場;以及全球增長最快的AI資料中心市場。隨著國產碳化矽襯底在全球產能佔比不斷提升,中國必將在這一第三代半導體關鍵材料和裝備領域實現全面自主可控。同時,中國碳化矽產業的崛起,也必將為中國新能源汽車、太陽能儲能、5G通訊、AI資料中心等戰略新興產業提供堅實支撐,助力全球能源轉型與產業升級。 (飆叔科技洞察)
標題都不會下!破局!
華為公佈兩項晶片散熱技術,碳化矽材料破解高熱功耗瓶頸
集聚封測智慧 賦能AI新時代  ——華為公佈兩項晶片散熱技術,碳化矽材料破解高熱功耗瓶頸華為技術有限公司近日公佈兩項與碳化矽散熱相關的專利,分別為《導熱組合物及其製備方法和應用》和《一種導熱吸波組合物及其應用》。兩項專利均採用碳化矽作為填料,旨在提高電子裝置的導熱能力。其中第一項專利應用領域包括電子元器件的散熱和封裝晶片(基板、散熱蓋),第二項專利則應用於電子元器件、電路板等領域。隨著AI晶片功率持續提升,散熱難題擺在各大科技公司面前。輝達GPU晶片功率從H200的700W提高到B300的1400W。CoWoS封裝技術將多個晶片(如處理器、儲存器等)高密度地堆疊整合在一個封裝內,顯著縮小了封裝面積,這對晶片封裝散熱提出更高要求。中介層的散熱能力成為AI晶片瓶頸,Rubin系列晶片中,整合HBM4的多晶片產品功率已經接近2000W。碳化矽材料具有優異的導熱性能,僅次於金剛石。公開資料顯示,碳化矽熱導率達500W/mK。相比之下,矽的熱導率僅為約150W/mK,陶瓷基板熱導率約200W/mK~230W/mK。此外,碳化矽熱膨脹係數與晶片材料高度契合,既能高效散熱,又能保障封裝穩定性。採用碳化矽中介層後,可使GPU晶片的結溫降低20℃~30℃,散熱成本降低30%,有效防止晶片因過熱降頻,保證晶片的算力穩定輸出。華為公佈的兩項專利均用碳化矽做填料,提高電子裝置的導熱能力。《導熱組合物及其製備方法和應用》主要針對電子元器件的散熱和封裝晶片。《一種導熱吸波組合物及其應用》則專注於電子元器件、電路板等應用領域。這些專利技術旨在解決高功率晶片散熱瓶頸問題。不僅是華為,輝達也在其新一代Rubin處理器設計中,將CoWoS先進封裝的中間基板材料從矽更換為碳化矽,以提升散熱性能,並預計2027年開始大規模採用。碳化矽應用領域從電力電子擴展到封裝散熱,打開了市場增量空間。東吳證券測算,以當前輝達H100 3倍光罩的2500mm²中介層為例,假設12英吋碳化矽晶圓可生產21個3倍光罩尺寸的中介層。2024年出貨的160萬張H100若未來替換成碳化矽中介層,則對應76190張襯底需求。隨著輝達GPU晶片的功率越來越大,將眾多晶片整合到矽中介層將導致更高的散熱性能要求,而如果採用導熱率更好的碳化矽中介層,其散熱片尺寸有望大幅縮小,最佳化整體封裝尺寸。資料顯示,採用碳化矽中介層後,可使GPU晶片的結溫降低20℃~30℃,散熱成本降低30%,有效防止晶片因過熱降頻,保證晶片的算力穩定輸出。AI晶片功率不斷攀升,散熱技術已成為制約算力發展的關鍵因素。晶片散熱技術競賽已經拉開帷幕,這將重塑高性能計算領域的競爭格局。 (未來半導體)
垂直氮化鎵,華為重磅發佈
近日,華為和山中國學的作者發佈了一篇題為《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》的我論文。在文中,他們介紹一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟注入終端(FIT-MOS)。FIT (fluorine implanted termination)區由於帶有固定的負電荷而表現為高電阻,可自然地將離散器件隔離,取代了傳統的檯面刻蝕終端(MET),消除了檯面邊緣的電場擁擠效應。結果顯示,FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外,所製備的 FIT-MOS 具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 10^7 的開關比 (ON/OFF ratio),以及 5.6 mΩ·cm² 的比導通電阻 (Ron,sp)。這些結果表明,GaN-on-Si 垂直電晶體在 kV 級應用中具有巨大的性價比潛力。簡介氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬禁帶半導體,在開發高效、高密度電力系統方面具有巨大潛力。目前,GaN 基電晶體已廣泛應用於 100 V 至 650 V 的電源,而 SiC 基電晶體則主要在 1200 V 以上的高壓領域佔據商業主導地位。然而,對於 650 V 至 1200 V 這一對成本和性能競爭都異常激烈的市場區間,GaN 和 SiC 誰將成為最佳選擇,仍未可知。儘管 SiC 基電晶體的發展取得了顯著進展,但其相對高昂的襯底成本,從經濟角度限制了它們在這一電壓範圍內的競爭力。幸運的是,在低成本、大尺寸矽(Si)襯底上外延生長 GaN 的異質外延技術取得了突破,這為製造高性價比、高性能的 GaN 電晶體帶來了巨大希望。得益於 AlGaN/GaN 異質介面處產生的高密度二維電子氣(2DEG),**GaN 基橫向高電子遷移率電晶體(HEMTs)**在需要高頻率和低電壓的應用中具有顯著優勢。然而,由於橫向架構固有的可擴展性限制,將 GaN-on-Si 橫向 HEMT 的擊穿電壓擴展到 650 V 以上仍然是一個挑戰。相比之下,垂直拓撲結構具有設計靈活性,垂直 GaN 功率電晶體通過增加漂移層的厚度而不增加器件的面積,在千伏(kV)級阻斷能力方面展現出顯著優勢。近年來,已成功開發出多款 1200 V 垂直 P-i-N 二極體,並展示了優異的阻斷和雪崩能力,這驗證了垂直 GaN-on-Si 拓撲在高壓和高功率應用中的可行性。Liu 等人首次報導了准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用 4 μm 厚的 GaN 漂移層,其硬擊穿電壓達 645 V。隨後研究聚焦於最佳化 p-GaN 通道區與柵介質層,以改善准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的導通性能和可靠性。為消除准垂直結構中存在的電流擁擠效應,Khadar 等人展示了首個全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,其漏極焊盤沉積於通過選擇性去除緩衝層和矽襯底後暴露的背面 n+-GaN 層上。Debaleen 等人報導了一種帶有導電緩衝層的全垂直 GaN-on-Si 電晶體,這種設計消除了複雜的襯底工藝並簡化了製造流程。然而,由於缺乏有效的終端結構和高品質的漂移層,這些報導的垂直 GaN-on-Si MOSFETs 的擊穿電壓(BV)仍低於 650 V,這對於千伏(kV)等級的電力系統應用來說是不足的。本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟離子注入終端(FIT)。傳統的檯面刻蝕終端(MET)被電阻型 FIT 結構取代,該結構能夠有效隔離離散器件,並緩解終端區域的電場擁擠效應。因此,FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外,FIT-MOS 表現出增強型工作模式,具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 107 的開關比 (ON/OFF ratio)、低的比導通電阻 (Ron,sp) 為 5.6 mΩ·cm²,以及 8 kA/cm² 的高導通電流密度。這些結果為基於 GaN-on-Si 垂直電晶體的 kV 級電力電子系統的發展奠定了基礎。外延生長與器件製造圖 1(a)-(b) 展示了全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的結構示意圖和溝槽柵區域的截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。通過注入強電負性的氟離子,原本導電的 n+-GaN/p-GaN 層在 FIT 區域內變為電阻層,從而有效地隔離離散 FIT-MOS 器件,消除了傳統 MET 結構的需求。FIT-MOS 的柵溝槽深度為 1.15 μm,延伸至 n-GaN 漂移層。可以觀察到完整的柵堆疊結構,包括 100 nm 厚的 SiO₂ 柵介質層,以及 50/150 nm 厚的 Cr/Au 柵金屬層。圖 1:(a)全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的結構示意圖;(b)帶氟注入終端(FIT-MOS)的溝槽柵區域橫截面 SEM 圖像。FIT-MOS 的製造工藝首先使用 SiO₂作為硬掩膜進行柵溝槽刻蝕,隨後在氮氣環境下以 850°C 快速熱退火(RTA)20 分鐘,以啟動埋藏的 p-GaN 層中的受主。通過在 25% TMAH 溶液中 85°C 浸泡 3 小時修復干法刻蝕損傷。隨後進行三能級氟離子注入(能量/劑量:240 keV/4×10¹⁴cm⁻²,140 keV/2×10¹⁴cm⁻²,80 keV/1.2×10¹⁴cm⁻²),採用住友 Eaton Nova 的 NV-GSD-HE 離子注入機,並用約 6.5μm 厚的 AZ4620 光刻膠作為掩膜,形成 FIT 區域。隨後採用原子層沉積(ALD)沉積100 nm 厚的SiO₂柵介質層,並通過反應離子刻蝕(RIE)開源極接觸孔。最後沉積雙層 Cr/Au 堆疊以形成柵極和源極電極。低電阻矽襯底作為漏極電極。MET-MOS 與 FIT-MOS 的工藝流程類似,不同之處在於 MET-MOS 採用檯面刻蝕來隔離離散器件。結果與討論圖 2(a)-(b) 展示了全垂直溝槽 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的截面 SEM 圖像及二次離子質譜(SIMS)剖面。從上到下,N-P-N 結構包括:20nm厚的 n⁺⁺-GaN 層(Si 摻雜 ~1×10¹⁹cm⁻³)、200 nm厚的n⁺-GaN 源極接觸層(Si 摻雜~5×10¹⁸cm⁻³)、400nm厚的 p-GaN通道層(Mg摻雜~1×10¹⁹cm⁻³)、以及 7μm厚的 n⁻-GaN 漂移層(N_D–N_A ~8×10¹⁵cm⁻³)。該結構外延在 6 英吋 Si 襯底上,並採用導電緩衝層,通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)實現。圖 2(a) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(b) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的二次離子質譜(SIMS)剖面圖;(c) (002) 和 (102) 晶向的 Omega 搖擺曲線。插圖顯示了在 Si 襯底上生長的 GaN層;陰極發光(CL)圖像;(d) 通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和二次離子質譜(SIMS)測量得到的氟離子(F 離子)分佈。導電緩衝層由 AlGaN/AlN 多層組成,可實現全垂直電流通路,同時避免複雜的襯底工程工藝。而且,基於 AlGaN/AlN 的緩衝層還能對上方的 GaN 漂移層提供足夠的壓應力,有效補償拉伸應力,避免因高溫冷卻過程引起的裂紋。通過 X 射線ω搖擺曲線的半峰寬(FWHM)(見圖 2(c)),估算出的穿通位錯密度(TDD)為 3.0×10⁸cm⁻²,其計算公式如下:其中,β是半峰寬,b是伯格斯向量。通過陰極發光(CL)測量也得到了類似的位錯密度(TDD),為1.4×10⁸cm⁻²,如圖 2(c) 的插圖所示。圖 2(d) 顯示了通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和 二次離子質譜 (SIMS) 測量得到的氟離子(F 離子)分佈剖面,結果顯示氟離子在 FIT 結構中呈均勻分佈。圖 3(a) 顯示了 FIT-MOS 在 VDS = 10 V 下的轉移特性曲線(線性與對數坐標)。FIT-MOS 表現為增強型工作模式,具有正的閾值電壓 Vth = 3.3 V(在 IDS = 1 A/cm² 時提取)、約 10⁷ 的開關比,以及 ~0.5 V 的遲滯現象。圖 3(b) 顯示了所製備 FIT-MOS 的輸出特性,揭示其高導通電流密度為 8 kA/cm²。由線性區計算得到的比導通電阻 Ron,sp 約為 5.6 mΩ·cm²。圖 3(a) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的轉移特性曲線;(b) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的輸出 I-V 特性曲線。ID(漏極電流)已按溝槽面積進行歸一化。圖 4 對比了FIT-MOS 與 MET-MOS 的關斷態擊穿特性。在擊穿前,柵漏電流 (IG) 始終低於10⁻⁶A/cm²,表明柵介質堆疊在高漏極偏壓下具有優異的穩定性。FIT-MOS 的擊穿電壓高達 1277 V,而 MET-MOS 在 567 V 就發生了過早擊穿。在低 VDS 時,FIT-MOS 的關斷態電流密度比 MET-MOS 更大,這是由於 FIT 結構引入了額外的縱向漏電通道。這一現象可通過測試結構的點對點漏電流密度(見圖 5(a))得到驗證。此外,由於氟離子注入後 FIT 區域存在 Ga 空位、原子鍵合不足以及能量約束不足,氟離子可能在 GaN 晶格中擴散並逸出表面,從而影響器件的熱穩定性。採用最佳化的後注入退火工藝可有效降低關斷態漏電流密度,並增強 FIT-MOS 的熱穩定性。圖 4,在 VGS=0 V 條件下,所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 和 MET-MOS 的關態擊穿 I-V 特性曲線。插圖顯示了 FIT-MOS 和 MET-MOS 的潛在漏電路徑。圖 5(a) 帶有 FIT 和 MET 隔離的測試結構(插圖)的焊盤到焊盤的漏電流密度;(b) MET-MOS 在VDS=400 V時的模擬電場分佈;(c) FIT-MOS 在 VDS=1200 V 時的模擬電場分佈為分析 MET-MOS 和 FIT-MOS 的擊穿機理,採用 TCAD 模擬計算二維電場分佈(見圖 5(b)-(c))。模擬中使用的關鍵物理模型包括載流子漂移擴散模型、產生-複合模型、連續性方程與泊松方程,以及雪崩電離模型。在 VDS = 400 V 時,MET 結構在檯面拐角處可觀察到電場擁擠,峰值電場達 2.7 MV/cm,導致其擊穿電壓下降。而如圖 5(c) 所示,FIT 結構能夠有效抑制終端區域的電場擁擠。然而,在溝槽柵區域仍觀察到電場擁擠,這可以通過採用柵極遮蔽結構來有效抑制。圖 6:(a)比導通電阻 Ron,sp 與擊穿電壓 BV 的對比;(b)漂移層厚度 (Tdrift) 與擊穿電壓 BV 的對比。對比對象為本文製備的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上的 GaN 垂直溝槽 MOSFET圖 6(a)-(b) 對比了本文製備的 GaN-on-Si FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上製備的垂直 GaN 溝槽 MOSFET 的 Ron,sp–BV 以及漂移層厚度–BV 特性。本文 FIT-MOS 在異質襯底(Si 與 Sap)上實現了先進水平的擊穿電壓 1277 V,低比導通電阻 5.6 mΩ·cm²,以及高 Baliga 優值(BFOM = BV² / Ron,sp)為 291 MW/cm²,其性能與在本征 GaN 襯底上製備的器件相當。此外,得益於高效的氟注入終端技術,7 μm 漂移層厚度的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 實現了與典型 1200 V 級 GaN-on-GaN 垂直溝槽 MOSFET 相當的擊穿電壓,而後者通常需要超過 10 μm 的漂移層厚度。這一結果標誌著低成本 GaN-on-Si 垂直 MOSFET 向 1200 V 級電力應用邁出了關鍵一步。結論本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟離子注入終端(FIT)技術。FIT 結構取代了常規的檯面刻蝕終端,有效地實現了對離散 FIT-MOS 器件的隔離,從而消除了 MET-MOS 中的電場擁擠效應。結果實現了 1277 V 的先進擊穿電壓,以及 291 MW/cm² 的 Baliga 優值 (BFOM)。氟注入終端技術為垂直 GaN 溝槽 MOSFET 在 kV 級電力系統中的應用展現了巨大的潛力。 (半導體行業觀察)
中國碳化硅,價格暴跌
自2024年初以來,6英吋碳化硅(SiC)襯底價格持續下跌,行業從供應短缺迅速轉向供過於求,預計未來價格將進一步下降。隨著中國SiC襯底製造商加速擴產,供需失衡問題加劇。業內人士預計,行業整合潮將提前到來,最快或在2025年中期開始。 消息人士指出,2024年中期,6英吋SiC襯底價格已跌至500美元以下,接近中國製造商的生產成本線。然而,到第四季度,價格將進一步跌至450美元甚至400美元,給大部分製造商帶來沉重財務壓力。一些一線供應商已經在尋求出售業務,以避免巨額虧損的持續擴大。 中國市場上,SiC襯底供過於求的現象尤為嚴重,價格混亂加劇了市場的不穩定。儘管國內SiC襯底產能增長迅速,但不同供應商之間的良率差異較大,部分企業在訂單履行方面面臨挑戰。供應商之間的激烈競爭導致價格不斷走低,許多廠商被迫虧本銷售。 面對持續下跌的價格,許多客戶選擇觀望,期待價格進一步觸底,這使得供應商的定價策略未能有效刺激需求。與此同時,SiC襯底的主要應用領域——電動汽車和光伏發電市場(SiC器件最大的市場),因長達6個月到1年的驗證期,使得客戶在選擇供應商時尤為謹慎,擔心驗證期結束後供應商可能已破產。這一情況進一步拖累了供應鏈的流動性。