碳化硅SiC是一種由硅﹙Si﹚與碳﹙C﹚以共價鍵為主結(jié)合而成的化合物，其基本單元為Si-C四面體，其中Si原子位于中心，周圍為C原子。SiC所有的結(jié)構(gòu)均由Si-C四面體以不同的堆積方式構(gòu)成。目前已發(fā)現(xiàn)的碳化硅同質(zhì)異型晶體結(jié)構(gòu)有200多種，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優(yōu)勢，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，它具有：（1）臨界擊穿電場強(qiáng)度是硅材料近10倍；（2）熱導(dǎo)率高，超過硅材料的3倍；（3）飽和電子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗輻照和化學(xué)穩(wěn)定性好；（5）與硅材料一樣，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層。純SiC是無色的，工業(yè)用碳化硅由于含有鐵質(zhì)等，因而呈現(xiàn)棕色至黑色，晶體上彩虹般光澤則是由于表面產(chǎn)生的二氧化硅鈍化層所導(dǎo)致。

 

    功率半導(dǎo)體發(fā)展經(jīng)歷了以下的發(fā)展歷程，以鍺、硅等單晶體材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料，以砷化鎵、磷化銦等化合物為代表的第二代半導(dǎo)體材料，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料。

 

圖1 半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

 

    近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)Si基器件性能在低能耗、高能效以及小型化等方面已經(jīng)逼近理論極限。相比于Si基半導(dǎo)體材料，SiC能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗、高功效與小型化等目標(biāo)而備受關(guān)注。Sic MOSFET因其具有導(dǎo)通電阻低、熱穩(wěn)定性好、開關(guān)速度快、阻斷電壓高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前發(fā)展最迅速的功率半導(dǎo)體器件之一。

 

圖2 英飛凌生產(chǎn)用于Tesla逆變器里的SiC的器件（24個SiC MOSFET模塊）

 

碳化硅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

 

    自二十世紀(jì)九十年代以來，美日歐等國相繼投入了大量的資金和人力對碳化硅材料和器件進(jìn)行了深入研究，在器件的性能提升和體積縮小方面取得了重大突破，在這方面，國內(nèi)也投入了大量的資金和技術(shù)，到如今也取得了不錯的成績。例如襯底環(huán)節(jié)，國際上已經(jīng)做到8寸的襯底，國內(nèi)也能做到6寸，8英寸也在研發(fā)中，我們和國際領(lǐng)先水平的差距也逐漸縮小。

 

碳化硅生產(chǎn)工藝

 

    碳化硅功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應(yīng)用這幾個環(huán)節(jié)。其中，單晶材料是碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，外延材料是實(shí)現(xiàn)器件制造的關(guān)鍵，器件是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心，模塊是實(shí)現(xiàn)器件應(yīng)用的橋梁，應(yīng)用是碳化硅功率半導(dǎo)體器件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的源動力。

 

SiC單晶體的生長方法

 

1、物理氣相傳輸法（PVT，Physical vapor transport）

 

    高純sic粉料置于石墨坩堝的底部作為生長源，籽晶固定在石墨坩堝的頂部，在超過2000℃的高溫下將碳化硅多晶粉體加熱分解成為Si原子、Si₂C分子和SiC₂分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的碳化硅籽晶上形成特定的碳化硅晶體。通過控制PVT的溫度場、氣流等工藝參數(shù)可以結(jié)晶形成SiC晶體。碳化硅單晶材料主要有導(dǎo)通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質(zhì)量、大尺寸的碳化硅單晶材料是碳化硅技術(shù)發(fā)展首要解決的問題，持續(xù)增大晶圓尺寸、降低缺陷密度（微管、位錯、層錯等）是其重點(diǎn)發(fā)展方向。

 

圖3 PVT設(shè)備

 

2、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD，High Temperature Chemical Vapor Deposition）

 

    在密閉反應(yīng)器中，保持合適的反應(yīng)溫度（2000-2300℃）和壓力（40kPa），反應(yīng)爐內(nèi)通入由H₂或者He載帶的SiH₄和C₂H₄。反應(yīng)氣體在高溫下分解生成碳化硅并附著在襯底材料表面，并沿著材料表面不斷生長。通過控制反應(yīng)容積的大小、反應(yīng)溫度、壓力和氣體組分等條件，得到最佳工藝條件。

 

爐內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)：2SiH₄+C₂H₄=2SiC+6H₂

 

圖4 HTCVD示意圖

 

SiC外延材料

 

    與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同的是，碳化硅功率器件必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實(shí)現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。產(chǎn)業(yè)化方面，我國20μm及以下的碳化硅外延材料產(chǎn)品水平接近國際先進(jìn)水平；在研發(fā)方面，我國開發(fā)了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距離國際先進(jìn)水平有一定的差距。

 

碳化硅功率器件

 

    碳化硅功率半導(dǎo)體器件主要有結(jié)勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。

 

碳化硅功率模塊

 

 

    為了進(jìn)一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進(jìn)行并聯(lián)集成封裝。碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產(chǎn)品發(fā)展起來的。基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化水平緊跟國際先進(jìn)水平。

 

圖5碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈簡圖

 

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