半導(dǎo)體屆“小紅人”——碳化硅

前些日子爆出華為旗下的哈勃科技公司投資了山東天岳先進(jìn)材料科技有限公司，持股10%。（注：山東天岳是我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料碳化硅龍頭企業(yè)。）小編細(xì)細(xì)品讀著新聞標(biāo)題“華為投資第三代半導(dǎo)體材料公司，得碳化硅者得天下？”不禁眉頭一緊，心生疑惑，碳化硅到底何方“妖魔鬼怪”，能有這樣的能耐？隨即一拍大腿，本期的“芯詞典”主角就是你了——碳化硅。

眾所周知，所謂半導(dǎo)體材料是具有半導(dǎo)體性能，能夠用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。元素半導(dǎo)體：?jiǎn)我辉亟M成的半導(dǎo)體。例如第一代半導(dǎo)體材料，鍺、硅等；化合物半導(dǎo)體：由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)。例如碳化硅，氮化鎵（GaN）。

目前半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代。相比于第一二代，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，能夠降低50%以上的能量損失，最大可使裝備體積縮小75%以上。作為第三代半導(dǎo)體材料中的重要一員，碳化硅有著怎樣屬于它的故事呢？

什么是碳化硅？

碳化硅（SiC）又名金剛砂，乍一聽(tīng)想必它與金剛石有點(diǎn)淵源，事實(shí)還真是如此。1891年美國(guó)人艾奇遜在進(jìn)行電熔實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了這種碳化物，誤以為是金剛石的混合體，便賜它“金剛砂”一名。

碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物。自然界中也存在天然SiC礦石（莫桑石），然而因其極其罕見(jiàn)，僅僅存在于年代久遠(yuǎn)的隕石坑內(nèi)，所以市面上的碳化硅絕大多數(shù)都是人工合成物。純的SiC晶體是無(wú)色透明物，工業(yè)生產(chǎn)出的碳化硅由于其含有鐵等雜質(zhì)，往往呈現(xiàn)黑色或綠色。

優(yōu)勢(shì)

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(chǎng)、高電子遷移率的優(yōu)勢(shì)，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。

來(lái)源：中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

性能特征注解：

禁帶寬度：禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性能越好。禁帶寬度與發(fā)光波長(zhǎng)成反比。

電子遷移率：數(shù)值越大，電流承載能力以及高頻、高速信號(hào)處理能力越強(qiáng)。

飽和電子漂移速度：結(jié)合相對(duì)介電常數(shù)，兼具高電子飽和漂移速度與低介電常數(shù)的半導(dǎo)體材料具有更高的頻率特性。

熱導(dǎo)率：數(shù)值越大，散熱能力越強(qiáng)。

與第一代半導(dǎo)體材料硅等單晶半導(dǎo)體材料相比，碳化硅具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅材料近10倍；

（2）熱導(dǎo)率高，超過(guò)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(zhǎng)二氧化硅絕緣層。

如何生產(chǎn)？

碳化硅作為一種半導(dǎo)體材料，對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈而言，主要包括襯底——外延片——芯片、器件、模塊——應(yīng)用這幾個(gè)部分。

襯底（SiC晶片）

目前SiC襯底的制備過(guò)程大致分為兩步，第一步制作SiC單晶；第二步通過(guò)對(duì)SiC晶錠進(jìn)行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無(wú)損傷層、低粗糙度的SiC晶片。

現(xiàn)階段，制備SiC單晶的方法有籽晶升華法、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）和液相法（LPE），不過(guò)后兩種方法目前還不成熟。籽晶升華法，又稱物理氣相傳輸法（PVT)。其原理是在超過(guò)2000 ℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為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(dòng)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4H型碳化硅晶體。通過(guò)控制PVT的溫場(chǎng)、氣流等工藝參數(shù)可以生長(zhǎng)特定的4H-SiC晶型。

(來(lái)源：2014·LED配套材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展交流對(duì)接會(huì)）

外延材料

與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上。必須在導(dǎo)通型單晶襯底上額外生長(zhǎng)高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。目前，主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD），通過(guò)臺(tái)階流的生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級(jí)的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發(fā)展。近年來(lái)，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質(zhì)量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經(jīng)消除。隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，外延層厚度也從過(guò)去的幾μm、十幾μm發(fā)展到目前的幾十μm、上百μm。

國(guó)際上碳化硅外延材料技術(shù)發(fā)展迅速，最高外延厚度達(dá)到250 μm以上。其中，20 μm及以下的外延技術(shù)成熟度較高，表面缺陷密度已經(jīng)降低到1個(gè)/cm2以下，位錯(cuò)密度已從過(guò)去的105個(gè)/cm2，降低到目前的103個(gè)/cm2以下，基平面位錯(cuò)的轉(zhuǎn)化率接近100 %，已經(jīng)基本達(dá)到碳化硅器件規(guī)?；a(chǎn)對(duì)外延材料的要求。近年來(lái)國(guó)際上30 μm~50 μm外延材料技術(shù)也迅速成熟起來(lái)，但是由于受到市場(chǎng)需求的局限，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度緩慢。目前批量碳化硅外延材料的產(chǎn)業(yè)化公司有美國(guó)的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。

器件

碳化硅半導(dǎo)體功率器件主要包括二極管和晶體管兩大類。其中二極管主要有結(jié)勢(shì)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）；晶體管主要有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)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。

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中關(guān)注度非常高的器件。碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況，具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上擁有巨大優(yōu)勢(shì)。

另一個(gè)高關(guān)注度的器件是碳化硅結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET），JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問(wèn)題和載流子遷移率過(guò)低的限制，同時(shí)單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。

總體來(lái)看，碳化硅器件優(yōu)點(diǎn)顯著。具有更高的性能和工作電壓，更高的工作頻率和更高的工作溫度，并且更加容易驅(qū)動(dòng)。

來(lái)源：根據(jù)意法半導(dǎo)體資料整理

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(gè)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(lái)的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開(kāi)發(fā)了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國(guó)際上的碳化硅功率模塊產(chǎn)品最高電壓等級(jí)3300 V，最大電流700 A，最高工作溫度175 ℃。在研發(fā)領(lǐng)域，全碳化硅功率模塊最大電流容量達(dá)到1200 A，最高工作溫度達(dá)到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯(lián)和緊湊型封裝等技術(shù)來(lái)提高模塊性能。

碳化硅器件應(yīng)用廣發(fā)，主要涉及智能電網(wǎng)、軌道交通、電動(dòng)汽車、通訊電源等多個(gè)領(lǐng)域。

市場(chǎng)前景

目前，全球碳化硅市場(chǎng)基本被國(guó)外企業(yè)所壟斷，主要公司有美國(guó)Wolfspeed、德國(guó)Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國(guó)際市場(chǎng)的90 %?？傮w來(lái)看，美國(guó)居于領(lǐng)導(dǎo)地位，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈；日本則是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。

國(guó)內(nèi)部分相關(guān)企業(yè)

與此相比，國(guó)內(nèi)還有比較大的差距。單晶襯底方面，國(guó)內(nèi)襯底以4英寸為主，目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。據(jù)CASA數(shù)據(jù)，山東天岳、天科合達(dá)、河北同光、中科節(jié)能均已完成6英寸襯底的研發(fā)，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。碳化硅功率器件方面，我國(guó)以二極管產(chǎn)品為主，也有部分企業(yè)具有開(kāi)發(fā)晶體管產(chǎn)品的能力，但是尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；谖覈?guó)成熟的硅基功率模塊的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，我國(guó)碳化硅功率模塊的產(chǎn)業(yè)化水平緊跟國(guó)際先進(jìn)水平。但是，由于國(guó)內(nèi)SiC MOSFET芯片產(chǎn)品尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)開(kāi)發(fā)碳化硅功率模塊產(chǎn)品中的MOSFET芯片絕大多數(shù)采用進(jìn)口芯片。

不過(guò)，隨著國(guó)際上碳化硅功率器件技術(shù)的進(jìn)步以及制造工藝從4英寸升級(jí)到6英寸，器件產(chǎn)業(yè)化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本也在慢慢下降。Yole預(yù)計(jì)，全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將從2017年的3.02億美元，快速成長(zhǎng)至2023年的13.99億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)29%。到2020年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到35億元人民幣，并以40 %的復(fù)合年均增長(zhǎng)率繼續(xù)快速增長(zhǎng)。

來(lái)源：Yole

DIGITIMES Research副總監(jiān)黃銘章指出，2019年全球最大的SiC晶圓供應(yīng)商Cree決定投資10億美元，大幅擴(kuò)充包括SiC及氮化鎵（GaN）相關(guān)產(chǎn)能，預(yù)計(jì)在2024年將SiC晶圓制造能力提高至30倍，以滿足多家廠商對(duì)SiC材料的需求，另外，日本廠商也積極投入功率半導(dǎo)體的投資。不過(guò)，黃銘章表示，盡管SiC來(lái)勢(shì)洶洶，但由于其成本遠(yuǎn)高于硅基（Si-based）材料功率半導(dǎo)體，因此未來(lái)10年內(nèi)電動(dòng)車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)主流仍將是傳統(tǒng)硅基材料元件。

此外，Yole Développement的分析師Hong Lin表示：“當(dāng)人們討論SiC功率器件時(shí)，汽車市場(chǎng)無(wú)疑是焦點(diǎn)。豐田和特斯拉等先驅(qū)企業(yè)的SiC活動(dòng)給市場(chǎng)帶來(lái)了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場(chǎng)具有潛力。但仍存在一些挑戰(zhàn)，比如成本、長(zhǎng)期可靠性和模塊設(shè)計(jì)?！?

問(wèn)題與挑戰(zhàn)

正如Hong Lin所說(shuō)，雖然SiC功率器件在汽車市場(chǎng)潛力巨大，但是仍存在挑戰(zhàn)一樣。SiC功率器件在生產(chǎn)與應(yīng)用過(guò)程中還是有不少的挑戰(zhàn)與問(wèn)題有待我們不斷去克服和完善：

1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見(jiàn)的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來(lái)制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過(guò)15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過(guò)100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

2，外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超過(guò)1800℃，因而生長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

3，摻雜工藝有特殊要求。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時(shí)掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問(wèn)題。目前，p型離子注入的問(wèn)題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。