这项SiC技术成了？速度快15倍，成本可降50%

2015年，电装（Denso）就预料到中国碳化硅衬底会快速崛起，这让他们感到前所未有的“紧张”。

Denso的技术高管在2023年的论文中提到，那年他参加了ICSCRM2015会议，在这个活动中，他们看到了中国的碳化硅晶体生长技术实现了快速进步，为此，他们认为未来日本厂商要跟中国碳化硅衬底企业竞争，需要采用新的技术手段来降低SiC衬底的成本。

与其他日本企业选择液相法不同的是，Denso认为高温气体法（HTCVD）是非常有竞争力的技术路径。

在第1期内容中，我们介绍了Denso的8吋SiC产线进展（链接），今天的第2期内容，我们就来起底他们独特的SiC晶锭生长技术——高温气相法（HTCVD）,号称单个晶锭的SiC衬底片数量比PVT法多3倍。

本文将介绍Denso的HTCVD优势和最新进展，以及Denso是如何克服相关的技术挑战。

HTCVD优势：

衬底片多3倍，8吋成本可降50%

目前，主流的SiC晶锭生长技术是PVT升华法，它是通过加热碳化硅粉末，使其气化来生长SiC晶锭。这项技术在降低SiC衬底成本方面具备一定的挑战，主要原因有2个：

● 一是SiC晶锭生长速度缓慢，大约为0.3--0.5mm/小时（不到硅单晶的1/100）；

● 二是SiC晶锭的厚度受限，当坩埚内的原料耗尽就会生长停止，因此晶锭最大厚度被限制在30--50mm左右。

PVT与HTCVD的对比 数据来源：Denso、Mirise、CRIEPI

为了解决这两个问题，Denso联合丰田中央研究院和日本电力中央研究所（CRIEPI）等机构开始了高温气体法（HTCVD）的研究，并且自己开发了长晶炉。

HTCVD是以H2作为载气，以硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)为原料气体，利用感应加热将气体温度升高至2500-2550℃，热分解的源气体中的Si和C原子在籽晶表面合成为SiC晶锭。

除了可实现连续晶锭生长，生长速率更快外，而且HTCVD使用的是超纯原料气体，因此可以生长出超纯半绝缘（HPSI）SiC晶锭，纯度可高出2个数量级。

Denso和CRIEPI的HTCVD感应炉示意图

Denso和CRIEPI的论文显示：

● 2009年成功生产出低缺陷密度的SiC晶锭，同时生产速度达到3mm/小时。

● 2020年，Denso与CRIEPI开发了径向温度分布更小的感应炉，成功在C面4H-SiC籽晶上生长出了6英寸的高质量 SiC晶锭，生长速度比升华法快10倍左右。

● 2023年，Denso对外宣布，他们的HTCVD已经可以量产8英寸SiC晶锭。

根据Denso合资公司Mirise的宣传资料，基于HTCVD的SiC晶锭更厚，预计衬底片的产量是PVT的4倍左右。他们认为，这可以减少SiC晶锭生长过程中90％的CO2排放量。

由于气相法的源料损耗更高，尽管晶体厚度更大，总体来看，HTCVD的 6吋SiC衬底的成本可以降低30％，8吋SiC衬底的成本可以实现减半。

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HTCVD难点：

气体堵塞、缺陷控制

据Denso介绍，HTCVD生长SiC晶锭面临的第一个问题是气体堵塞。

由于SiH4和C3H8要在高温下分解，并通过各种反应过程最终在SiC籽晶上进行晶体生长，因此，一旦气源分解进行太快，入口管就会被堵塞。而一旦分解太慢，出口侧会因未反应的水而堵塞。因此，HTCVD需要极其复杂的气体流量和温度控制。

Denso是通过AI（人工智能）模拟来控制这个复杂的SiC晶锭生长工艺。

据了解，为了将气相法应用于大规模生产，2009年日本NEDO就开展了一项领先的研究计划，目的是建立一个AI模型，以准确再现HTCVD晶锭生产设备的炉内条件。

CRIEPI透露，经过验证，该模型的预测精度足以满足实际应用需要，温度误差约为0.1%，流速误差约为 1%。

传统的模拟方式预测炉况，通常需要两到三个小时，而人工智能模型可以在一秒钟左右计算出预测结果，因此有望显著提高技术开发效率，为HTCVD大规模生产SiC晶锭找到最佳条件。

根据2022年Mirize的论文，他们采用HTCVD生长的SiC晶锭，大大降低了BPD缺陷密度。

实验表明，使用PVT制备的4英寸偏角4°的4H-SiC C面作为籽晶，通过HTCVD法进行晶锭生长，晶锭表面温度约为2500℃，在生长速率约为1.5mm/h时，SiC晶锭的BPD密度相比籽晶没有增加，SiC衬底片的中心平均BPD密度如图所示。

Denso认为，SiC器件对于新能源汽车等电源系统的开发变得越来越重要，但SiC器件规模化替代硅基方案的关键在于——器件价格。目前，由于SiC衬底直径较小且价格昂贵，它的器件成本和系统成本比硅高得多，即使考虑到外围元件成本的降低，仍然无法赶上使用硅基产品。

据他们推算，一片8英寸晶圆可生产150颗12mm的IGBT，由于性能相当的SiC MOSFET芯片尺寸只需要7mm，因此6英寸SiC衬底可以生产出250颗器件。基于这样的数据，单颗SiC MOSFET的衬底成本大概是IGBT的2倍，单颗SiC MOSFET芯片的成本概是IGBT的1.2倍。

他们认为，随着SiC衬底直径越来越大，以及生产成本越来越低，SiC器件和系统成本一定会跟硅越来越近。如果未来HVCVD量产后，SiC半导体将有可能实现比使用硅器件更便宜且具有更高性能的系统，预计SiC的应用范围将进一步极大地扩展。

接下来，我们还将起底Denso的超低缺陷SiC籽晶和超高速SiC外延生长技术，请关注锁定我们的公众号。

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