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                      2018-10-08

                    半导体届“小红人”——碳化硅

                      众所周知,所谓半导体材料是具有半导体性能,能够用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。常见的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体两大类。元素半导体:单一元素组成的半导体。例如第一代半导体材料,锗、硅等;化合物半导体:由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。例如,氮化镓(GaN)。
                    泰科天润
                      目前半导体材料已经发展到第三代。相比于第一二代,具有高热导率、高击穿场强等优点,应用前景广泛,能够降低50%以上的能量损失,最大可使装备体积缩小75%以上。作为第三代半导体材料中的重要一员,碳化硅有着怎样属于它的故事呢?
                      什么是碳化硅?
                      碳化硅(SiC)又名金刚砂,乍一听想必它与金刚石有点渊源,事实还真是如此。1891年美国人艾奇逊在进行电熔实验时偶然发现了这种碳化物,误以为是金刚石的混合体,便赐它“金刚砂”一名。
                      碳化硅(SiliconCarbide)是C元素和Si元素形成的化合物。自然界中也存在天然SiC矿石(莫桑石),然而因其极其罕见,仅仅存在于年代久远的陨石坑内,所以市面上的碳化硅绝大多数都是人工合成物。纯的SiC晶体是无色透明物,工业生产出的碳化硅由于其含有铁等杂质,往往呈现黑色或绿色。
                    泰科天润
                      优势
                      目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有200多种,其中六方结构的4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料,也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。
                    泰科天润
                      来源:中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟
                      性能特征注解:
                      禁带宽度:禁带宽度越大,耐高电压和高温性能越好。禁带宽度与发光波长成反比。
                      电子迁移率:数值越大,电流承载能力以及高频、高速信号处理能力越强。
                      饱和电子漂移速度:结合相对介电常数,兼具高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性。
                      热导率:数值越大,散热能力越强。
                      与第一代半导体材料硅等单晶半导体材料相比,碳化硅具有以下优势:
                      (1)临界击穿电场强度是硅材料近10倍;
                      (2)热导率高,超过硅材料的3倍;
                      (3)饱和电子漂移速度高,是硅材料的2倍;
                      (4)抗辐照和化学稳定性好;
                      (5)与硅材料一样,可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层。
                      如何生产?
                      碳化硅作为一种半导体材料,对于半导体产业链而言,主要包括衬底——外延片——芯片、器件、模块——应用这几个部分。
                      衬底(SiC晶片)
                      目前SiC衬底的制备过程大致分为两步,第一步制作SiC单晶;第二步通过对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光,得到透明或半透明、无损伤层、低粗糙度的SiC晶片。
                      现阶段,制备SiC单晶的方法有籽晶升华法、高温化学气相沉积法(HTCVD)和液相法(LPE),不过后两种方法目前还不成熟。籽晶升华法,又称物理气相传输法(PVT)。其原理是在超过2000℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质,在温度梯度的驱动下,这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶体。通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。

                      外延材料
                      与传统硅功率器件制作工艺不同,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上。必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件。目前,主要的外延技术是化学气相沉积(CVD),通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料。随着碳化硅功率器件制造要求和耐压等级的不断提高,碳化硅外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展。近年来,薄碳化硅外延材料(20μm以下)的质量不断提升,外延材料中的微管缺陷已经消除。随着外延生长技术的进步,外延层厚度也从过去的几μm、十几μm发展到目前的几十μm、上百μm。
                      国际上碳化硅外延材料技术发展迅速,最高外延厚度达到250μm以上。其中,20μm及以下的外延技术成熟度较高,表面缺陷密度已经降低到1个/cm2以下,位错密度已从过去的105个/cm2,降低到目前的103个/cm2以下,基平面位错的转化率接近100%,已经基本达到碳化硅器件规模化生产对外延材料的要求。近年来国际上30μm~50μm外延材料技术也迅速成熟起来,但是由于受到市场需求的局限,产业化进度缓慢。目前批量碳化硅外延材料的产业化公司有美国的Cree、DowCorning,日本昭和电工(ShowaDenko)等。
                      器件
                      碳化硅半导体功率器件主要包括二极管和晶体管两大类。其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管(JBS)、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管(MPS);晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等。
                    泰科天润
                      SiC-MOSFET是碳化硅电力电子器件研究中关注度非常高的器件。碳化硅MOSFET(SiCMOSFET)N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式,在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制,高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围,同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况,具有更低的开关损耗和更高的工作频率。20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半,50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。碳化硅MOSFET在工作频率和效率上拥有巨大优势。
                      另一个高关注度的器件是碳化硅结型场效应晶体管(JFET),JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点,是目前发展较快的碳化硅器件之一,并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比,JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制,同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外,JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。
                      总体来看,碳化硅器件优点显著。具有更高的性能和工作电压,更高的工作频率和更高的工作温度,并且更加容易驱动。
                    泰科天润
                      来源:根据意法半导体资料整理
                      功率模块
                      为了进一步提升碳化硅功率器件的电流容量,通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。碳化硅功率模块首先是从由硅IGBT芯片和SiCJBS二极管芯片组成的混合功率模块产品发展起来的。随着SiCMOSFET器件的成熟,Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司开发了由SiCJBS二极管和MOSFET组成的全碳化硅功率模块。目前国际上的碳化硅功率模块产品最高电压等级3300V,最大电流700A,最高工作温度175℃。在研发领域,全碳化硅功率模块最大电流容量达到1200A,最高工作温度达到250℃,并采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。
                      碳化硅器件应用广发,主要涉及智能电网、轨道交通、电动汽车、通讯电源等多个领域。
                      市场前景
                      目前,全球碳化硅市场基本被国外企业所垄断,主要公司有美国Wolfspeed、德国Infineon、日本Rohm、欧洲的意法半导体(STMicroelectronics)、日本三菱(Mitsubishi),这几家大公司约占国际市场的90%。总体来看,美国居于领导地位,占有全球SiC产量的70%-80%;欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链;日本则是设备和模块开发方面的绝对领先者。
                      国内部分相关企业
                    泰科天润
                      与此相比,国内还有比较大的差距。单晶衬底方面,国内衬底以4英寸为主,目前,已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底。据CASA数据,山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。碳化硅功率器件方面,我国以二极管产品为主,主要企业有泰科天润等,也有部分企业具有开发晶体管产品的能力,但是尚未实现产业化。基于我国成熟的硅基功率模块的封装技术和产业,我国碳化硅功率模块的产业化水平紧跟国际先进水平。但是,由于国内SiCMOSFET芯片产品尚未实现产业化,我国开发碳化硅功率模块产品中的MOSFET芯片绝大多数采用进口芯片。
                      不过,随着国际上碳化硅功率器件技术的进步以及制造工艺从4英寸升级到6英寸,器件产业化水平不断提高,碳化硅功率器件的成本也在慢慢下降。Yole预计,全球SiC功率半导体市场将从2017年的3.02亿美元,快速成长至2023年的13.99亿美元,年复合成长率达29%。到2020年市场规模达到35亿元人民币,并以40%的复合年均增长率继续快速增长。
                    泰科天润
                      DIGITIMESResearch副总监黄铭章指出,2019年全球最大的SiC晶圆供应商Cree决定投资10亿美元,大幅扩充包括SiC及氮化镓(GaN)相关产能,预计在2024年将SiC晶圆制造能力提高至30倍,以满足多家厂商对SiC材料的需求,另外,日本厂商也积极投入功率半导体的投资。不过,黄铭章表示,尽管SiC来势汹汹,但由于其成本远高于硅基(Si-based)材料功率半导体,因此未来10年内电动车功率半导体市场主流仍将是传统硅基材料元件。
                      此外,YoleDéveloppement的分析师HongLin表示:“当人们讨论SiC功率器件时,汽车市场无疑是焦点。丰田和特斯拉等先驱企业的SiC活动给市场带来了许多刺激和喧嚣。SiCMOSFET在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战,比如成本、长期可靠性和模块设计。”
                      问题与挑战
                      正如HongLin所说,虽然SiC功率器件在汽车市场潜力巨大,但是仍存在挑战一样。SiC功率器件在生产与应用过程中还是有不少的挑战与问题有待我们不断去克服和完善:
                      1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷,在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前,大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2。
                      2、外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。
                      3、掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂,碳化硅扩散温度远高于硅,此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定,因此不宜采用扩散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重,往往要在相当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前,p型离子注入的问题还比较多,从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。

                    泰科天润

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