第三代半導(dǎo)體材料之碳化硅

  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，也是目前綜合性能好、商品化程度高、技術(shù)成熟的第三代半導(dǎo)體材料，它具有：（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。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XX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，成為目前發(fā)展迅速的功率半導(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)，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，我們和先進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)品水平接近先進水平；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先進水平有一定的差距。

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?；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)化水平緊跟先進水平。

圖5碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈簡圖

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