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材料科技有限公司，持股10%。（注：山東天岳是我國第三代半導(dǎo)體材料碳化硅龍頭企業(yè)。）小編細細品讀著新聞標(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，能夠用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。常見的半導(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：單一元素組成的半導(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、高擊穿場強等優(yōu)點，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，乍一聽想必它與金剛石有點淵源，事實還真是如此。1891年美國人艾奇遜在進行電熔實驗時偶然發(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，僅僅存在于年代久遠的隕石坑內(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
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。
來源：中國寬禁帶功率半導(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、高速信號處理能力越強。
飽和電子漂移速度：結(jié)合相對介電常數(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。
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：
（1）臨界擊穿電場強度是硅材料近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。
如何生產(chǎn)？
碳化硅作為一種半導(dǎo)體材料，對于半導(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)用這幾個部分。
襯底（SiC晶片）
目前SiC襯底的制備過程大致分為兩步，第一步制作SiC單晶；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。
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)動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運到溫度較低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶體。通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數(shù)可以生長特定的4H-SiC晶型。
(來源：2014·LED配套材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展交流對接會）
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），通過臺階流的生長來實現(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，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。隨著外延生長技術(shù)的進步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發(fā)展到目前的幾十μm、上百μm。
國際上碳化硅外延材料技術(shù)發(fā)展迅速，最高外延厚度達到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/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉(zhuǎn)化率接近100 %，已經(jīng)基本達到碳化硅器件規(guī)?；a(chǎn)對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術(shù)也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產(chǎn)業(yè)化進度緩慢。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。
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℃溫度中進行退火激活。另一個關(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法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況，具有更低的開關(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。
另一個高關(guān)注度的器件是碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET），JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實現(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題和載流子遷移率過低的限制，同時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。
總體來看，碳化硅器件優(yōu)點顯著。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。
來源：根據(jù)意法半導(dǎo)體資料整理
功率模塊
為了進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。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發(fā)了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產(chǎn)品最高電壓等級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到1200 A，最高工作溫度達到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、電動汽車、通訊電源等多個領(lǐng)域。
市場前景
目前，全球碳化硅市場基本被國外企業(yè)所壟斷，主要公司有美國Wolfspeed、德國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際市場的90 %?？傮w來看，美國居于領(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)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。
國內(nèi)部分相關(guān)企業(yè)
與此相比，國內(nèi)還有比較大的差距。單晶襯底方面，國內(nèi)襯底以4英寸為主，目前，已經(jīng)開發(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、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，我國以二極管產(chǎn)品為主，也有部分企業(yè)具有開發(fā)晶體管產(chǎn)品的能力，但是尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；谖覈墒斓墓杌β誓K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水平。但是，由于國內(nèi)SiC MOSFET芯片產(chǎn)品尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我國開發(fā)碳化硅功率模塊產(chǎn)品中的MOSFET芯片絕大多數(shù)采用進口芯片。
不過，隨著國際上碳化硅功率器件技術(shù)的進步以及制造工藝從4英寸升級到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，全球SiC功率半導(dǎo)體市場將從2017年的3.02億美元，快速成長至2023年的13.99億美元，年復(fù)合成長率達29%。到2020年市場規(guī)模達到35億元人民幣，并以40 %的復(fù)合年均增長率繼續(xù)快速增長。
來源：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，大幅擴充包括SiC及氮化鎵（GaN）相關(guān)產(chǎn)能，預(yù)計在2024年將SiC晶圓制造能力提高至30倍，以滿足多家廠商對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，黃銘章表示，盡管SiC來勢洶洶，但由于其成本遠高于硅基（Si-based）材料功率半導(dǎo)體，因此未來10年內(nèi)電動車功率半導(dǎo)體市場主流仍將是傳統(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，汽車市場無疑是焦點。豐田和特斯拉等先驅(qū)企業(yè)的SiC活動給市場帶來了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場具有潛力。但仍存在一些挑戰(zhàn)，比如成本、長期可靠性和模塊設(shè)計?！?/p>
問題與挑戰(zhàn)
正如Hong Lin所說，雖然SiC功率器件在汽車市場潛力巨大，但是仍存在挑戰(zhàn)一樣。SiC功率器件在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中還是有不少的挑戰(zhàn)與問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的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術(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制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過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℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。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。如用擴散方法進行慘雜，碳化硅擴散溫度遠高于硅，此時掩蔽用的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，注入對晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，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。
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