化合物半導體襯底材料研究報告
在整個半導體產業鏈中，半導體材料處于上游，中游為各類半導體元件，下游應用包括消費電子、通信、新能源、電力、交通等行業。隨著近年第二、三代化合物半導體借助其獨特的物理特性實現更廣泛的應用，其上游襯底材料砷化鎵、碳化硅、氮化鎵愈發得到國內重視，本篇研究報告將就這三類襯底材料進行重點介紹。
一、化合物半導體材料概述化合物半導體是指兩種或兩種以上元素形成的半導體材料，按照元素數量可以分為二元化合物、三元化合物、四元化合物等，二元化合物半導體按照組成元素在化學元素周期表中的位置還可分為 III-V 族、IV-IV 族、II-VI族等。目前，以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的化合物半導體材料已經成為繼硅之后發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。（一）發展階段
半導體襯底材料領域共經歷三個發展階段：
第一階段是20世紀50年代起，以硅Si為代表的第一代半導體材料制成的二極管和晶體管取代了電子管，主要應用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器中，如電腦 CPU、GPU、內存、手機的SoC等器件，引發以集成電路為核心的微電子產業的迅速發展。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻電子器件上的應用，如其間接帶隙的特點決定了它不能獲得高的電光轉換效率，且其帶隙寬度較窄（1.12 eV）、飽和電子遷移率較低（1450 cm2/V·s），不利于研制高頻和高功率電子器件。
第二階段是20世紀90年代開始，隨著半導體產業的發展，硅材料的物理瓶頸日益突出，以砷化鎵GaAs、磷化銦InP為代表的第二代半導體材料嶄露頭角，相關器件制備技術逐漸成熟，使半導體材料進入光電子領域。GaAs良好的光學性能使得其在光學器件中廣泛應用，也應用在需要高速器件的特殊場合，是4G時代的大部分通信設備的材料，如毫米波器件、發光器件、衛星通訊、移動通訊、光通訊、GPS導航等。但是禁帶寬度（禁帶寬度反映了價電子被束縛強弱程度，直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度）不夠大、擊穿電場較低，限制了其在高溫高頻和高功率器件領域的應用，且砷有毒。
第三階段是近年來，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導體材料，在禁帶寬度、擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面具有顯著優勢，進一步滿足了現代工業對高功率、高電壓、高頻率的需求，作為5G時代的主要材料，用于高溫、高頻、抗輻射、大功率器件; 藍、綠、紫光二極管、半導體激光器等。
（二）材料性能
三代半導體材料比對
（三）主要應用
目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作為基底材料，由于硅材料具有極大的成本優勢，未來在各類分立器件和集成電路領域硅仍將占據主導地位，但是化合物半導體材料獨特的物理特性優勢，賦予其在射頻、光電子、功率器件等領域的獨特性能優勢。
二、砷化鎵（GaAs）-第二代半導體材料
（一）材料種類
根據電阻的不同，砷化鎵材料可以分為半導體型和半絕緣型。半絕緣型砷化鎵襯底由于電阻率較高、高頻性能好，可制作 MESFET、HEMT 和 HBT 結構的電路，主要用于雷達、衛星電視廣播、微波及毫米波通信、無線通信（以手機為代表）及光纖通信等領域，主要用來制作手機中的 PA 元件，在高頻功率放大器市場上占據 85%的市場份額。半導體型砷化鎵單晶占整個 GaAs 市場的 60%左右,主要應用在 LED 和 VCSEL（垂直共振腔表面發射激光器）等光電子器件。
（二）生產流程砷化鎵單晶片生產過程可分為：1、多晶清洗：砷化鎵多晶放入氨水、雙氧水及純水配置的混合液中，在清洗槽內用水進行清洗；用超聲波平振蕩機振洗，去除表面的雜質，然后用甲醇脫水；PBN 坩堝清洗與多晶清洗過程相同。2、單晶生長：清洗后的砷化鎵多晶放入PBN坩堝內，將坩堝放入石英管內后用真空泵對石英管抽真空，密封后外部包裹石英棉（保溫）裝入單晶爐中，使晶體在單晶爐內完成生長，長成單晶晶棒。3、脫模：單晶生長結束后，單晶爐進行降溫，降至常溫后用開管鋸將石英管切開，將結為一體的 PBN 坩堝和砷化鎵晶體分離后，取出砷化鎵晶體。4、晶體加工：取出的砷化鎵晶棒利用帶鋸切除尾蓋，外圓磨床磨外圓，利用內圓鋸取測試樣片，根據測試樣片判斷晶體的好壞。5、晶體切片：砷化鎵晶棒在多線切割機上切成一定厚度的晶片，切割時采用水基溶液和切割粉降溫處理。切割完成后將晶片沖洗，浸泡酒精后風干。6、晶片研磨：對清洗槽中晶片表面采用氨水、雙氧水和純水混合液進行預清洗，清洗晶片表面雜質顆粒，使表面更潔凈；然后利用研磨機晶片進行研磨，去除晶片損傷層，保證厚度一致性。7、晶片拋光：研磨后的晶片放入拋光機，在拋光液的作用下濕法拋光，使表面達到精細的鏡面，隨后在清洗槽中采用氨水、雙氧水和純水混合液進行表面清洗，后用甩干機進行脫水甩干。
8、晶片清洗：用氨水、雙氧水和純水混合液對晶片進行清洗，去除前道工序加工后晶片表面殘留的塵埃及化學殘留物，干燥后的晶片檢驗合格后包裝為成品。
（三）單晶生長工藝
從20世紀50年代開始，就已經開發出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流的工業化生長工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。
（四）全球競爭格局化合物半導體因為行業整體規模較小，非標準化程度高，以代工模式為主。歐美主導砷化鎵產業鏈，中國臺灣廠商壟斷代工。日本的住友、德國的Freiberger和美國的AXT三家合計約占全球半絕緣型襯底90%的市場份額。受襯底尺寸限制，目前的生產線以4 英寸和6英寸晶圓為主，部分企業也開始導入8英寸產線，但還沒有形成主流。由于砷化鎵是以 Emitterbase-Collector垂直結構為主，晶體管數量只在百顆數量級；而硅晶圓是 Source Gate Drain的平面設計，晶體管數量達到數千萬數量級，所以砷化鎵在制程研發上并沒有像硅晶圓代工行業那樣明顯的優勢。
住友是全球半絕緣型砷化鎵單晶片水平最高的公司，以VB法生產砷化鎵為主，能夠量產4寸和6寸單晶片；德國Freiberger主要以VGF、LEC法生產2到6英寸砷化鎵襯底，產品全部用于微電子領域；美國AXT產品中一半用于LED，一半用作微電子襯底。國內供應商砷化鎵襯底主要用于LED芯片，少數公司如云南鍺業用于射頻的砷化鎵襯底逐漸放量。
國內廠商
三、碳化硅（SiC）-第三代半導體材料
SiC材料作為襯底已實現規?；瘧?，經過外延生長、器件制造等環節，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，在碳化硅芯片成本結構中 60%-70%是襯底和外延片，其中襯底約占 40%-50%,是第三代半導體產業發展的重要基礎材料。
（一）產品類別
碳化硅晶片作為半導體襯底材料，根據電阻率不同，可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域應用多，市場規模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領域，如5G通訊、雷達等，隨著 5G 通訊網絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。
（二）工藝流程
SiC襯底主要制備過程大致分為兩步：第一步SiC粉料（高純硅粉和高純碳粉）在單晶爐中經過高溫升華之后在單晶爐中形成SiC晶錠；第二步通過對SiC晶錠進行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片（即SiC襯底）。（1）原料合成。將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在2,000℃以上的高溫下反應合成碳化硅顆粒。再經過破碎、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅微粉原料。（2）晶體生長。以高純度碳化硅微粉為原料，使用晶體生長爐，采用物理氣相傳輸法（PVT法）或高溫化學氣相沉積法（HTCVD）生長碳化硅晶體。如PVT法將高純碳化硅微粉和籽晶分別置于單晶生長爐內圓柱狀密閉的石墨坩堝下部和頂部，通過電磁感應將坩堝加熱至 2,000℃以上，控制籽晶處溫度略低于下部微粉處，在坩堝內形成軸向溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、SiC2、Si 等物質，在溫度梯度驅動下到達溫度較低的籽晶處，并在其上結晶形成圓柱狀碳化硅晶錠。（3）晶錠加工。將制得的碳化硅晶錠使用 X 射線單晶定向儀進行定向，之后磨平、滾磨，加工成標準直徑尺寸的碳化硅晶體。（4）晶體切割。使用多線切割設備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm 的薄片。（5）晶片研磨。通過不同顆粒粒徑的金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。（6）晶片拋光。通過機械拋光和化學機械拋光方法得到表面無損傷的碳化硅拋光片。（7）晶片檢測。使用光學顯微鏡、 X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、非接觸電阻率測試儀、表面平整度測試儀、表面缺陷綜合測試儀等儀器設備，檢測碳化硅晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標，據此判定晶片的質量等級。
（8）晶片清洗。以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行清洗處理，去除拋光片上殘留的拋光液等表面沾污物，再通過超高純氮氣和甩干機將晶片吹干、甩干；將晶片在超凈室封裝在潔凈片盒內，形成可供下游即開即用的碳化硅晶片。
（三）關鍵技術晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大，而下游器件的制造效率越高、單位成本越低。目前國際碳化硅晶片廠商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片， CREE、 II-VI 等國際龍頭企業已開始投資建設8英寸碳化硅晶片生產線。碳化硅襯底制造的核心關鍵技術點包括電子級高純粉料合成與提純技術、數字仿真技術、單晶生長技術、單晶加工（切拋磨）技術。碳化硅襯底配方改進困難、晶體生長緩慢、成品良品率低。
1.高純粉料
高純碳粉是生長高質量SiC晶體的基礎，尤其對半絕緣型SiC晶體生長有至關重要的影響，涉及到制備技術、合成技術和提純技術。其中高純度碳粉提純對工藝要求極高，而合成涉及到的配方技術需要長時間的摸索和積累。
2.數字仿真技術
碳化硅晶體制作中的數字仿真
單晶生長溫度在2350-2500度，由于爐內溫度不可測量，通過高精度數字仿真技術可以節約大量的研發時間和成本，仿真水平的高低也直接代表單晶企業的核心技術能力。3.單晶生長技術
單晶生長緩慢是碳化硅襯底成本高居不下的重要原因。目前Cree和國內主流廠家都采用PVT物理氣相傳輸法。由于碳化硅晶體生長速度遠慢于硅晶體，8寸硅晶圓2-3天可以生長至1-2米，而碳化硅4寸晶圓一周只能生長2-6cm。影響晶體生長的一個重要因素是籽晶繁殖，籽晶是和碳化硅單晶晶體具有相同晶體結構的“種子”晶片，是晶體生長之源，晶體生長附著凝結于仔晶之上。籽晶生長是碳化硅制備的核心技術，也是評判所有碳化硅襯底企業的核心技術之一，籽晶一般不對外銷售。
碳化硅單晶生長工藝
4.單晶加工技術
由于碳化硅硬度非常高且脆性高，使得打磨、切割、拋光都耗時長且良品率低。硅片切割只用幾小時，而6寸碳化硅片切割要上百小時。
（四）國內襯底價格和趨勢
目前市場4英寸碳化硅襯底比較成熟，良率較高，同時價格較低，而6英寸襯底價格由于供給少和成片良率低，價格遠遠高于4寸片。未來推動碳化硅襯底成本降低的三大驅動力：工藝和設備改進以加快長晶速度；缺陷控制改進提升良率；設計改進降低使用器件的襯底使用面積。
國內碳化硅襯底價格及趨勢
（五）全球競爭格局
目前SiC晶片市場主要由美、歐、日主導，中國企業開始嶄露頭角。據Yole預測，2017-2023年，SiC的復合年增長率將達到31%，2023年達到約15億美元市場規模。根據半導體時代產業數據中心《2020年中國第三代半導體碳化硅晶片行業分析報告》數據，2020上半年全球半導體SiC晶片市場中，美國CREE出貨量占據全球45%；歐洲企業在SiC器件的設計開發領域較強，主要企業有Siltronic、意法半導體、IQE、英飛凌等；日本的技術力量雄厚，產業鏈完整，代表企業有松下、羅姆、住友電氣、三菱等，羅姆子公司SiCrystal 占據20%，II-VI占13%；中國企業發展較快，天科合達的市占率由 2019年的3%上升至2020年的5.3%，山東天岳占比為2.6%。
2020 年上半年全球半導體 SiC 晶片市場份額
四、氮化鎵（GaN）-第三代半導體材料
受技術與工藝水平限制，GaN材料作為襯底實現規?；瘧萌悦媾R挑戰，因為氮化鎵材料本身熔點高，而且需要高壓環境，很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底。目前主要在Al2O3藍寶石襯底上生長氮化鎵厚膜制作的GaN基板，然后通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這種基板以前的主流是2英寸口徑，現在出現了4～6英寸的基板。優點是位錯密度明顯低，但價格昂貴，因此限制了氮化鎵厚膜襯底的應用。
目前通常使用的氨氣相法（或HVPE法）需要1000℃以上的生長溫度，因此單晶藍寶石（Al2O3）作為在高溫氨氣下特性依然穩定的基板受到關注。由于GaN與藍寶石的化學性質（化學鍵）、熱膨脹系數和晶格常數相差較大，在藍寶石上生長的GaN晶體表面像磨砂玻璃一樣粗糙，而且晶體缺陷非常多，無法獲得能夠用于半導體元件的高品質GaN。1986年，名古屋大學工學部教授赤崎勇開發出了“低溫堆積緩沖層技術”。該技術利用氮化鋁（AlN）作為緩沖層進行堆積，可以在藍寶石基板上生長晶體缺陷少而且表面平坦的GaN晶體。
GaN襯底生產工藝
由于GaN材料硬度高、熔點高等特性，襯底制作難度高，良率低，技術進步緩慢，GaN晶圓的成本仍然居高不下，2005年2英寸的GaN襯底片成本2萬美元，現在價格仍然在3000美元水平，對比之下，4英寸GaAs襯底成本僅需100-200人民幣。目前通過外延技術可以將GaN生長在SiC、Si、藍寶石、金剛石等其他材料襯底上，有效的解決GaN襯底材料的限制問題。
從全球GaN襯底市場格局來看，日本廠商在GaN襯底占據領先位置，包括住友電工、三菱化學、住友化學等，三家日商合計市場份額超過85%。國內從事GaN單晶生長的企業，主要有蘇州納維、東莞中鎵、上海鎵特和芯元基等。 五、化合物半導體政策支持
