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碳化硅材料研究現狀與行業應用

關鍵詞 碳化硅|2019-08-29 09:50:54|來源 光電與顯示
摘要 半導體器件是現代工業整機設備的核心,廣泛應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域,半導體器件產業主要由四個基本部分組成:集成電路、光電器件、分立器件、傳感器,其中集成...

半導體器件是現代工業整機設備的核心,廣泛應用于計算機、消費類電子、網絡通信、汽車電子等核心領域,半導體器件產業主要由四個基本部分組成:集成電路、光電器件、分立器件、傳感器,其中集成電路占到了80%以上,因此通常又將半導體和集成電路等價。

集成電路,按照產品種類又主要分為四大類:微處理器、存儲器、邏輯器件、模擬器件。然而隨著半導體器件應用領域的不斷擴大,許多特殊場合要求半導體能夠在高溫、強輻射、大功率等環境下依然能夠堅持使用、不損壞,第一、二代半導體材料便無能為力,于是第三代半導體材料便應運而生。

目前,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為代表的寬禁帶半導體材料以更大的優勢占領市場主導,統稱第三代半導體材料。第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度,更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高的抗輻射能力,更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件,通常又被稱為寬禁帶半導體材料(禁帶寬度大于2.2eV),亦稱為高溫半導體材料。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看,較為成熟的是碳化硅和氮化鎵半導體材料,且碳化硅技術最為成熟,而氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。

一、材料及其特性

碳化硅材料普遍用于陶瓷球軸承、閥門、半導體材料、陀螺、測量儀、航空航天等領域,已經成為一種在很多工業領域不可替代的材料。

SiC是一種天然超晶格,又是一種典型的同質多型體。由于Si與C雙原子層堆積序列的差異會導致不同的晶體結構,有著超過200種(目前已知)同質多型族。因此SiC非常適合用作新一代發光二極管(LED)襯底材料、大功率電力電子材料。

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碳化硅的物理化學性能

二、加工工藝研究

SiC的硬度僅次于金剛石,可以作為砂輪磨具磨料,因此對其進行機械加工主要是利用金剛石砂輪磨削、研磨和拋光,其中金剛石砂輪磨削加工的效率最高,是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不僅具有高硬度的特點,高脆性、低斷裂韌性也使得其磨削加工過程中易引起材料的脆性斷裂從而在材料表面留下表面破碎層,且產生較為嚴重的表面與亞表層損傷,影響加工精度。因此,深入研究SiC磨削機理與亞表面損傷對于提高SiC磨削加工效率和表面質量具有重要意義。

1、硬脆材料的研磨機理

對硬脆材料進行研磨,磨料對其具有滾軋作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂紋的表面上時,隨著研磨加工的進行,在研磨載荷的作用下,部分磨粒被壓入工件,并用露出的尖端劃刻工件的表面進行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動而產生滾軋作用,使工件的表面形成微裂紋,裂紋延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑,從而達到表面去除的目的。

因為硬脆材料的抗拉強度比抗壓強度要小,對磨粒施加載荷時,會在硬脆材料表面的拉伸應力的最大處產生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋延伸且相互交叉時,受裂紋包圍的部分就會破碎并崩離出小碎塊。此為硬脆材料研磨時的切屑生成和表面形成的基本過程。

由于碳化硅材料屬于高硬脆性材料,需要采用專用的研磨液,碳化硅研磨的主要技術難點在于高硬度材料減薄厚度的精確測量及控制,磨削后晶圓表面出現損傷、微裂紋和殘余應力,碳化硅晶圓減薄后會產生比碳化硅晶圓更大的翹曲現象。

2、碳化硅的拋光加工研究

目前碳化硅的拋光方法主要有:機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光(CMP)、電化學拋光(ECMP)、催化劑輔助拋光或催化輔助刻蝕(CACP/CARE)、摩擦化學拋光(TCP,又稱無磨料拋光)和等離子輔助拋光(PAP)等。

化學機械拋光(CMP)技術是目前半導體加工的重要手段,也是目前能將單晶硅表面加工到原子級光滑最有效的工藝方法,是能在加工過程中同時實現局部和全局平坦化的唯一實用技術。

CMP的加工效率主要由工件表面的化學反應速率決定。通過研究工藝參數對SiC材料拋光速率的影響,結果表明:旋轉速率和拋光壓力的影響較大;溫度和拋光液pH值的影響不大。為提高材料的拋光速率應盡量提高轉速,雖然增加拋光壓力也可提高去除速率,但容易損壞拋光墊。

目前的碳化硅拋光方法存在著材料去除率低、成本高的問題,且無磨粒研拋、催化輔助加工等加工方法,由于要求的條件苛刻、裝置操作復雜,目前仍處在實驗室范圍內,批量生產的實現可能性不大。

人類1905年 第一次在隕石中發現碳化硅,現在主要來源于人工合成,碳化硅有許多用途,行業跨度大,可用于單晶硅、多晶硅、砷化鉀、石英晶體等、太陽能光伏產業、半導體產業、壓電晶體產業工程性加工材料。

在半導體領域的應用

碳化硅一維納米材料由于自身的微觀形貌和晶體結構使其具備更多獨特的優異性能和更加廣泛的應用前景,被普遍認為有望成為第三代寬帶隙半導體材料的重要組成單元。

第三代半導體材料即寬禁帶半導體材料,又稱高溫半導體材料,主要包括碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅、金剛石等。這類材料具有寬的禁帶寬度(禁帶寬度大于2.2ev)、高的熱導率、高的擊穿電場、高的抗輻射能力、高的電子飽和速率等特點,適用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的制作。第三代半導體材料憑借著其優異的特性,未來應用前景十分廣闊。

在光伏領域的應用

光伏逆變器對光伏發電作用非常重要,不僅具有直交流變換功能,還具有最大限度地發揮太陽電池性能的功能和系統故障保護功能。歸納起來有自動運行和停機功能、最大功率跟蹤控制功能、防單獨運行功能(并網系統用)、自動電壓調整功能(并網系統用)、直流檢測功能(并網系統用)、直流接地檢測功能(并網系統用)等。

國內逆變器廠家對新技術和新器件的應用還是太少,以碳化硅為功率器件的逆變器,并且開始大批量應用,碳化硅內阻很少,可以把效率做很高,開關頻率可以達到10K,也可以節省LC濾波器和母線電容。碳化硅材料在光伏逆變器應用上或有突破。

在航空領域的應用

碳化硅制作成碳化硅纖維,碳化硅纖維主要用作耐高溫材料和增強材料,耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等。用做增強材料時,常與碳纖維或玻璃纖維合用,以增強金屬(如鋁)和陶瓷為主,如做成噴氣式飛機的剎車片、發動機葉片、著陸齒輪箱和機身結構材料等,還可用做體育用品,其短切纖維則可用做高溫爐材等。

碳化硅粗料已能大量供應,但是技術含量極高 的納米級碳化硅粉體的應用短時間不可能形成規模經濟。碳化硅晶片在我國研發尚屬起步階段,碳化硅晶片在國內的應用較少,碳化硅材料產業的發展缺乏下游應用企業的支撐。就人才培養和技術研發等開展密切合作;加強企業間的交流,尤其要積極參加國際交流活動,提升企業發展水平;關注企業品牌建設,努力打造企業的拳頭產品等。

全球半絕緣碳化硅晶圓材料市場的發展趨勢。半絕緣襯底具備高電阻的同時可以承受更高的頻率,因此在5G通訊和新一代智能互聯,傳感感應器件上具備廣闊的應用空間。當前主流半絕緣襯底的產品以4英寸為主。2017年,全球半絕緣襯底的市場需求約4萬片。預計到2020年,4英寸半絕緣襯底的市場保持在4萬片,而6英寸半絕緣襯底的市場迅速提升至4~5萬片;2025~2030年,4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場,而6英寸晶圓將增長至20萬片。

國際上碳化硅單晶襯底材料的產業化公司主要有美國科銳(Cree)、II-VI、道康寧(Dow Corning),德國SiCrystal(被日本羅姆Rohm收購)等公司,其碳化硅單晶產品覆蓋4英寸和6英寸。

國內主要碳化硅單晶襯底材料企業和研發機構已經具備了成熟的4英寸零微管碳化硅單晶產品,并已經研發出了6英寸單晶樣品,但是在晶體材料質量和產業化能力方面距離國際先進水平存在一定差距。

碳化硅外延材料

與傳統硅功率器件制作工藝不同的是,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上,必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料,并在外延層上制造各類器件。主要的外延技術是化學氣相沉積(CVD),通過臺階流的生長來實現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、厚外延方向發展。近年來,薄碳化硅外延材料(20 μm以下)的質量不斷提升,外延材料中的微管缺陷已經消除,掉落物、三角形、胡蘿卜、螺位錯、基平面位錯、深能級缺陷等成為影響器件性能的主要因素。隨著外延生長技術的進步,外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發展到目前的幾十μm、上百μm。

由于碳化硅器件必須制作在外延材料上,所以基本上所有碳化硅單晶材料都將作為襯底材料用來生長外延材料。國際上碳化硅外延材料技術發展迅速,最高外延厚度達到250 μm以上。其中,20 μm及以下的外延技術成熟度較高,表面缺陷密度已經降低到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,基平面位錯的轉化率接近100 %,已經基本達到碳化硅器件規?;a對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術也迅速成熟起來,但是由于受到市場需求的局限,產業化進度緩慢。目前批量碳化硅外延材料的產業化公司有美國的Cree、Dow Corning,日本昭和電工(Showa Denko)等。

我國碳化硅外延材料的研發和產業化水平緊緊跟隨國際水平,產品已打入國際市場。在產業化方面,我國20μm及以下的碳化硅外延材料產品水平接近國際先進水平;在研發方面,我國開發了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水平有一定的差距。同時,由于國內碳化硅芯片制造能力薄弱,對碳化硅單晶和材料的需求較低,尚不足以完全支撐和拉動我國碳化硅單晶襯底和外延材料產業的發展。

碳化硅功率器件

碳化硅功率半導體器件包括二極管和晶體管,其中二極管主要有結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體場效應晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關斷晶閘管(GTO)等。

2001年,德國英飛凌(Infineon)公司最先發布碳化硅肖特基功率二極管產品,同年美國Cree公司也實現了碳化硅肖特基功率二極管的產業化。由于碳化硅晶體管的技術難度大,產業化進度落后于二極管。2010年,日本Rohm公司首先量產SiC MOSFET產品,2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產品。SiC IGBT和GTO等器件由于技術難度更大,仍處于研發階段,距離產業化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優越,成為目前應用最廣泛、產業化成熟度最高的碳化硅功率器件。

隨著國際上碳化硅功率器件技術的進步和制造工藝從4英寸升級到6英寸,器件產業化水平不斷提高,碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市場的發展趨勢。2017年全球碳化硅功率器件(主要是SiC JBS和MOSFET)的市場接近17億元人民幣。Yole公司預測,2017~2020年,碳化硅器件的復合年均增長率超過28 %,到2020年市場規模達到35億元人民幣,并以超過40 %的復合年均增長率繼續快速增長。預計到2025年,全球碳化硅功率器件市場規模將超過150億元人民幣,到2030年,全球碳化硅功率器件市場規模將超過500億元人民幣。國內碳化硅器件的市場約占國際市場的40 %~50 %。

目前,國際上主要的碳化硅功率器件產業化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導體(STMicroelectronics)、日本三菱(Mitsubishi),這幾家大公司約占國際市場的90 %,另外,美國通用電氣(GE)、日本豐田(Toyota)、日本富士(Fuji)、日本東芝(Toshiba)、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發了碳化硅功率器件產品。在SiC二極管產品方面,美國Wolfspeed(包括Cree)、德國Infineon公司已經推出了五代 SiC JBS產品;其中Wolfspeed的第四代及以前的產品為平面型,第五代為溝槽型,并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370 μm減薄至180 μm,進一步提高了器件的性能。Rohm公司開發了三代SiC二極管,最新產品也采用了溝槽型結構。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產品為主,從第五代開始推出1200 V產品,即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產品。在MOSFET器件方面,Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產品,電流從1 A~50 A不等;2017年3月,美國Wolfspeed公司發布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片,是目前單芯片電流容量最大的SiC MOSFET產品;Rohm公司的SiC MOSFET產品有平面柵和溝槽柵兩類,電壓等級有650 V和1200 V;意法半導體開發了650 V和1200 V兩個電壓等級的SiC MOSFET產品,Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產品。另外,GeneSiC公司開發了1200 V和1700 V的 SiC BJT產品,Infineon和USCi公司開發了1200 V的SiC JFET產品。在研發領域,國際上已經開發了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品,以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品,由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設計技術、芯片制造工藝、器件封裝驅動技術以及市場需求的制約,以上高壓器件短期內無法實現產業化。

“十二五”初期,我國掀起了研發第三代功率半導體器件領域的熱潮;“十三五”期間,我國掀起了第三代功率半導體材料和器件產業化的浪潮。當前,我國的碳化硅功率器件產品以二極管產品為主,若干單位具備開發晶體管產品的能力,尚未實現產業化。在國家科技項目和各級政府的支持下,目前國內有多家企業建成或正在建設多條碳化硅芯片工藝線,這些工藝線的投產,將會大大提升國內碳化硅功率器件的產業化水平。

碳化硅功率模塊

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品發展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟,Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發了由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 ℃。在研發領域,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、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。

基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術和產業,我國碳化硅功率模塊的產業化水平緊跟國際先進水平。由于國內SiC MOSFET芯片產品尚未實現產業化,我國開發碳化硅功率模塊產品中的MOSFET芯片全部采用進口芯片。

碳化硅功率半導體的典型應用。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢,將極大地提高現有能源的轉換效率,對高效能源轉換領域產生重大而深遠的影響,主要領域有智能電網、軌道交通、電動汽車、新能源并網、通訊電源等。

碳化硅功率半導體存在的問題

盡管全球碳化硅器件市場已經初具規模,但是碳化硅功率器件領域仍然存在一些諸多共性問題亟待突破,比如碳化硅單晶和外延材料價格居高不下、材料缺陷問題仍未完全解決、碳化硅器件制造工藝難度較高、高壓碳化硅器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等,全球碳化硅技術和產業距離成熟尚有一定的差距,在一定程度上制約了碳化硅器件市場擴大的步伐。

1、碳化硅單晶材料

國際上碳化硅單晶材料領域存在的問題主要有:

(1)大尺寸碳化硅單晶襯底制備技術仍不成熟。目前國際上碳化硅芯片的制造已經從4英寸換代到6英寸,并已經開發出了8英寸碳化硅單晶樣品,與先進的硅功率半導體器件相比,單晶襯底的尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。

(2)缺乏更高效的碳化硅單晶襯底加工技術。碳化硅單晶襯底材料線切割工藝存在材料損耗大、效率低等缺點,必須進一步開發大尺寸碳化硅晶體的切割工藝,提高加工效率。襯底表面加工質量的好壞直接決定了外延材料的表面缺陷密度,而大尺寸碳化硅襯底的研磨和拋光工藝仍不能滿足要求,需要進一步開發研磨、拋光工藝參數,降低晶圓表面粗糙度。

(3)P型襯底技術的研發較為滯后。目前商業化的碳化硅產品是單極型器件。未來高壓雙極型器件需要P型襯底。目前碳化硅P型單晶襯底缺陷較高、電阻率較高,其基礎科學問題尚未得到突破,技術開發滯后。

近年來,我國碳化硅單晶材料領域取得了長足進步,但與國際水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性問題以外,我國碳化硅單晶材料領域在以下兩個方面存在巨大的風險:一是本土碳化硅單晶企業無法為國內已經/即將投產的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料。(2)碳化硅材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。

2. 碳化硅外延材料

國際上碳化硅外延材料領域存在的問題主要有:

(1)N型碳化硅外延生長技術有待進一步提高。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美,在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰,一定程度影響了中低壓碳化硅芯片良率的提高。

(2)P型碳化硅外延技術仍不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極型器件,對P型重摻雜外延材料提出了要求,目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的P型碳化硅外延材料。

近年來我國碳化硅外延材料技術獲得了長足進展,申請了一系列的專利,正在縮小與其它國家的差距,已經開始批量采用本土4英寸單晶襯底材料,產品已經打入國際市場。但是,以下兩個方面存在巨大的風險:一是目前國內碳化硅外延材料產品以4英寸為主,由于受單晶襯底材料的局限,尚無法批量供貨6英寸產品。二是碳化硅外延材料加工設備全部進口,將制約我國獨立自主產業的發展壯大。

3. 碳化硅功率器件

雖然國際上碳化硅器件技術和產業化水平發展迅速,開始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場化進程,但是碳化硅功率器件的市場優勢尚未完全形成,尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領域存在的問題主要有:

(1)碳化硅單晶及外延技術還不夠完美,高質量的厚外延技術不成熟,這使得制造高壓碳化硅器件非常困難,而外延層的缺陷密度又制約了碳化硅功率器件向大容量方向發展。

(2)碳化硅器件工藝技術水平還比較低,這是制約碳化硅功率器件發展和推廣實現的技術瓶頸,特別是高溫大劑量高能離子注入工藝、超高溫退火工藝、深槽刻蝕工藝和高質量氧化層生長工藝尚不理想,使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高溫和長期工作條件下可靠性低的缺陷。

(3)在碳化硅功率器件的可靠性驗證方面,其試驗標準和評價方法基本沿用硅器件,尚未有專門針對碳化硅功率器件特點的可靠性試驗標準和評價方法,導致試驗情況與實際使用的可靠性有差距。

(4)在碳化硅功率器件測試方面,碳化硅器件測試設備、測試方法和測試標準基本沿用硅器件的測試方法,導致碳化硅器件動態特性、安全工作區等測試結果不夠準確,缺乏統一的測試評價標準。

除了以上共性問題外,我國碳化硅功率器件領域發展還存在研發時間短,技術儲備不足,進行碳化硅功率器件研發的科研單位較少,研發團隊的技術水平跟國外還有一定的差距等問題,特別是在以下三個方面差距巨大:一是在SiC MOSFET器件方面的研發進展緩慢,只有少數單位具備獨立的研發能力,存在一定程度上依賴國際代工企業來制造芯片的弊病,容易受制于人,產業化水平不容樂觀。二是碳化硅芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷,特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等,國內大規模建立碳化硅工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。三是碳化硅器件高端檢測設備被國外所壟斷。

4. 碳化硅功率模塊

當前碳化硅功率模塊主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發揮碳化硅功率器件的高溫、高頻優勢,必須不斷降低功率模塊的寄生電感、降低互連層熱阻,并提高芯片在高溫下的穩定運行能力。目前碳化硅功率模塊存在的主要問題有:

(1)采用多芯片并聯的碳化硅功率模塊,由于結電容小、開關速度高,因此在開關過程中會出現極高的電流上升率(di/dt)和電壓上升率(dv/dt),在這種情況下會產生較嚴重的電磁干擾和額外損耗,無法發揮碳化硅器件的優良性能。

(2)碳化硅功率模塊的封裝工藝和封裝材料基本沿用了硅功率模塊的成熟技術,在焊接、引線、基板、散熱等方面的創新不足,功率模塊雜散參數較大,可靠性不高。

(3)碳化硅功率高溫封裝技術發展滯后。目前碳化硅器件高溫、高功率密度封裝的工藝及材料尚不完全成熟。為了發揮碳化硅功率器件的高溫優勢,必須進一步研發先進燒結材料和工藝,在高溫、高可靠封裝材料及互連技術等方面實現整體突破。

5. 碳化硅功率半導體的應用

盡管碳化硅功率器件應用前景廣闊,但是目前受限于價格過高等因素,迄今為止,市場規模并不大,應用范圍并不廣,主要集中于光伏、電源等領域。目前碳化硅器件應用存在的主要問題有:(1)碳化硅功率器件的驅動技術尚不成熟。為了充分發揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性,要求其驅動芯片具有工作溫度高、驅動電流大和可靠性高的特點。目前驅動芯片沿用硅器件的驅動技術,尚不能滿足要求。(2)碳化硅功率器件的保護技術尚不完善。碳化硅功率器件具有開關頻率快、短路時間短等特點,目前器件保護技術尚不能滿足需求。(3)碳化硅器件的電路應用開關模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關特性,尚不能對碳化硅器件的電路拓撲仿真設計提供準確的指導。(4)碳化硅功率器件應用中的電磁兼容問題尚未完全解決。(5)碳化硅功率器件應用的電路拓撲尚不夠優化。目前碳化硅功率器件的應用電路拓撲基本上沿用硅器件的電路拓撲,沒有開發出完全發揮碳化硅功率器件優勢的新型電路拓撲結構。

碳化硅是典型的實用寬禁帶半導體材料之之一,跟硅和砷化鎵一樣具有典型的半導體特性,被人們稱為繼硅和砷化鎵之后的“第三代半導體”,尤其在制造電力電子器件方面具有廣闊的應用前景。但是,在半導體已深得人心的一個很長時期內,很多人對碳化硅的了解,還僅限于它的高硬度、耐磨和耐高溫特性,因而其實用價值在過去的長時期內主要是作為研磨材料應用于機械加工和作為耐火材料應用于金屬冶煉。 

雖然碳化硅作為半導體材料的應用比硅和砷化鎵幾乎晚了半個世紀,但早在1824年,瑞典科學家J.J. Berzelius(1779-1848)在人工合成金剛石的過程中就已經觀察到了它的存在。不過,由于自然界中天然碳化硅晶體極少,人工合成又極困難,人們在那個年代對其不可能有太多了解。直到E.G. Acheson(1856-1931)發明了碳化物晶體的人工制造技術之后,人們才開始對其逐漸有所認識。

高飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及高健合能等優點,這就使得碳化硅材料可以很好地適用于高性能(高頻、高溫、高功率、抗輻射)電子器件。高的熱導率有利于大功率器件的熱耗散和高密度集成高的載流子飽和遷移速率可以使之應用于高速開關器件;高的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射性能優于Si器件。

由于碳化硅材料的帶隙很寬(4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV),碳化硅器件能夠在很高的溫度下工作而不至于因為本征載流子激發導致器件性能失效。碳化硅材料在發生雪崩擊穿前所能夠忍受的極限電場是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一高極限電場可以用來制造高壓、大功率器件。 

碳化硅材料具有很高的臨界位移能約為45~90eV。這使得碳化硅材料具有很高的抗輻射能力和抗電磁波沖擊(EMP:ElectroMagnetic Pluse)能力。

表1 室溫下幾種半導體材料特性的比較 

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表1列出了碳化硅與主要半導體材料在室溫下的材料參數。從表中可以看出碳化硅與砷化鎵相對硅具有更優良的特性,因此這兩種材料能夠制作高溫高壓大功率器件。在寬禁帶半導體材料中,碳化硅是最有希望首先取得突破,因為SIC是除了Si以外唯一能夠熱氧化生長Sio2的半導體,而且SIC器件工藝和設備都與Si器件有很強的兼容性。碳化硅高的臨界擊穿電場使其漂移區的電阻減少200倍,從而使高壓器件的導通電壓比目前所有的硅功率器件(IGBT、SBD、PiN)都小得多。

 

然而難以獲得高質量的碳化硅襯底一直是阻礙這一領域發展的主要難題。隨著1978年的大面積碳化硅籽晶生長法的出現以及隨后碳化硅薄膜制備技術的完備,碳化硅材料得到了進一步的發展。隨著碳化硅材料制造工藝的進一步發展,以及制造成本的不斷下降,碳化硅材料將在高溫、高頻、光電子、抗輻射等領域擁有廣闊的應用發展前景,如表2。

表2 碳化硅(SIC)材料的應用領域

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日期 2019-11-08   行業動態

環保持續增壓 9月剛玉碳化硅等耐火原料行情綜述

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日期 2019-10-15   企業新聞

近期碳化硅市場弱勢盤整 觀望情緒較濃

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日期 2019-10-14   行業動態
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