碳化硅半導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

前言

　　半導(dǎo)體材料通過多年的發(fā)展，目前可以分為三代，即第一代半導(dǎo)體“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體，適用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算和存儲(chǔ)；其中硅基半導(dǎo)體技術(shù)較為成熟，應(yīng)用也較廣；第二代是砷化鎵、磷化銦為基礎(chǔ)的的III-V族化合物半導(dǎo)體，在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出，在微波信號(hào)傳輸方面的效率更高，可被廣泛應(yīng)用到照明、顯示、通訊等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

　　碳化硅(SiC)是新世紀(jì)具有廣闊發(fā)展?jié)摿Φ牡谌滦桶雽?dǎo)體材料，SiC晶片和外延襯底在通信、汽車、電網(wǎng)、航空、航天、石油開采以及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

01碳化硅半導(dǎo)體的特點(diǎn)及其應(yīng)用

1.1特點(diǎn)

　　碳化硅材料具有優(yōu)良的熱力學(xué)和電化學(xué)性能。在熱力學(xué)方面，碳化硅硬度在20℃時(shí)高達(dá)莫氏9.2-9.3，是最硬的物質(zhì)之一，可以用于切割紅寶石；導(dǎo)熱率超過金屬銅，是Si的3倍、GaAs的8-10倍，且其熱穩(wěn)定性高，在常壓下不可能被熔化。在電化學(xué)方面，碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點(diǎn)，其禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)為Si的10倍，且其耐腐蝕性極強(qiáng)[3]。

1.2應(yīng)用

　　LED器件襯底：采用SiC作襯底的LED器件亮度更高、能耗更低、壽命更長(zhǎng)、單位芯片面積更小，且在單功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為成熟。

　　電力電子器件：制作耐高壓、高溫、高頻、大功率和高密度電力電子器件，能夠適應(yīng)更為苛刻的工作和生存環(huán)境。與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC器件可大大降低能耗，提高電力使用效率，同時(shí)可降低電力系統(tǒng)尺寸，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性并降低系統(tǒng)整機(jī)造價(jià)。SiC基器件已經(jīng)在SBD二極管上應(yīng)用并獲得了巨大的成功，國(guó)際大公司也不斷推出MOSFET、JFET、BJT，甚至IGBT等開關(guān)管器件，但都沒有真正被廣泛應(yīng)用。

　　射頻微波器件襯底：以SiC為襯底的微波器件輸出功率密度是GAaS器件的10倍以上，工作頻率達(dá)到100GHzpA以上，可以顯著提高雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗以及智能武器的整體性能和可靠性。

　　石墨烯外延襯底：能制造高性能的石墨烯集成電路[2]。

02碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈

　　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、功率器件、模塊封裝和應(yīng)用這幾個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1碳化硅單晶材料

　　目前碳化硅單晶的生長(zhǎng)主要集中到以下兩種方法：液相生長(zhǎng)法和物理氣相傳輸法(PVT)。液相生長(zhǎng)法主要集中在日本的高校和科研院所，采用中頻加熱，高純石墨坩堝作為容器，同時(shí)提供碳源。溶液加熱到1500~1900℃保溫?cái)?shù)小時(shí)，黏在石墨棒上的籽晶跟隨著石墨棒一同浸入溶液中，由于石墨坩堝中的溫差，提供了晶體生長(zhǎng)的過冷度，進(jìn)而在籽晶上生長(zhǎng)晶體。

　　物理氣相傳輸法生長(zhǎng)碳化硅單晶是目前生長(zhǎng)大直徑、高質(zhì)量碳化硅單晶最常用的方法。該方法使用感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱。由于法拉第電磁感應(yīng)定律，坩堝外壁會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生后由于石墨的導(dǎo)電性會(huì)在石墨坩堝中形成渦流，渦流產(chǎn)生焦耳熱使石墨坩堝溫度升高。通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和對(duì)流等方式，將熱量傳遞給坩堝內(nèi)的碳化硅粉料和籽晶，最終建立起單晶生長(zhǎng)溫度場(chǎng)[4]。

2.2碳化硅外延材料

　　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。主要的外延技術(shù)是化學(xué)氣相沉積(CVD)，通過臺(tái)階流的生長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。

2.3功率器件

　　由于碳化硅半導(dǎo)體材料具有很多特點(diǎn)，如耐高溫、損耗率較低、高頻化、熱傳導(dǎo)性能好，因此以其為基礎(chǔ)材料生產(chǎn)制作的功率器件得到了大規(guī)模應(yīng)用，如在辦公場(chǎng)合常見的電腦、空調(diào)、插座等；工業(yè)企業(yè)中常見的自動(dòng)化生產(chǎn)鏈、調(diào)節(jié)設(shè)備等；在城市服務(wù)行業(yè)，則為電動(dòng)化交通工具、電力系統(tǒng)、醫(yī)療器械等[5]。

　　按照器件工作形式，SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣，均采用微電子工藝加工而成。從碳化硅晶體材料來看，4H-SiC和6H-SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用最廣，其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件，而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領(lǐng)域的功率器件[3]。

2.4模塊封裝

　　與硅IGBT功率模塊相比，全碳化硅功率模塊可高速開關(guān)并可大幅降低開關(guān)損耗。為了優(yōu)化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性，并有效地結(jié)合功率器件與不同的應(yīng)用方案，模塊封裝的研究早已提上了議題。但是，功率器件的封裝技術(shù)成為擺在大家面前的一個(gè)瓶頸。主要問題包括高開關(guān)速度引起的高dv/dt和di/dt，高運(yùn)行溫度和高電場(chǎng)強(qiáng)度。

　　目前常用全碳化硅功率模塊還是碳化硅MOSFET和碳化硅二極管的組合，而驅(qū)動(dòng)芯片通常是放置在功率模塊以外的驅(qū)動(dòng)板上。驅(qū)動(dòng)芯片與碳化硅MOSFET距離較遠(yuǎn)，而無法發(fā)揮碳化硅MOSFET最優(yōu)的性能。所以從業(yè)者也在研究把碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片集成到功率模塊內(nèi)部，形成智能功率模塊即IPM[6]。

03碳化硅半導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀

3.1國(guó)外碳化硅半導(dǎo)體材料研究現(xiàn)狀

　　20世紀(jì)80年代以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為保持航天、軍事和技術(shù)強(qiáng)國(guó)地位，始終將寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位，投入巨資實(shí)施了多項(xiàng)旨在提升裝備系統(tǒng)能力。這些國(guó)家和地區(qū)在碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域，已走在世界前列。

　　美國(guó)：早在1997年制定的“國(guó)防與科學(xué)計(jì)劃”中，美國(guó)就明確了寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)。2014年美國(guó)又主導(dǎo)成立了以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)。

　　日本：從1998年開始，日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實(shí)現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。

　　歐盟：2014年，歐盟啟動(dòng)為期3年（2014-2017年）的，應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計(jì)劃(SPEED)，總投入達(dá)1858萬歐元，7個(gè)國(guó)家的12家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了該計(jì)劃。

　　SiC半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)化主要以德國(guó)英飛凌、美國(guó)Cree公司、GE和日本羅姆公司、豐田公司等為代表。SiC電力電子器件首先由英飛凌于2000年前后在JBS二極管上取得突破，打開市場(chǎng)化的僵局，目前SiC JBS二極管已廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiC MOSFET、JFET等產(chǎn)品，豐田公司則把SiC MOSFET器件應(yīng)用到電動(dòng)汽車中。

3.2國(guó)內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體材料研究現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)碳化硅半導(dǎo)體材料與國(guó)外企業(yè)的技術(shù)水平相差較大，但與前兩代半導(dǎo)體技術(shù)不同，國(guó)內(nèi)不少專家認(rèn)為我國(guó)有望在以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車?！吨袊?guó)制造2025》和“十三五規(guī)劃”也明確將碳化硅行業(yè)定位為重點(diǎn)支持行業(yè)。國(guó)家電網(wǎng)、中國(guó)中車、比亞迪、華為等國(guó)內(nèi)企業(yè)也在加大針對(duì)碳化硅在智能電網(wǎng)、軌道交通、電動(dòng)汽車、手機(jī)通信芯片等領(lǐng)域應(yīng)用的投資[3]。

　　3.2.1在SiC單晶材料方面

　　我國(guó)SiC單晶生長(zhǎng)研究起步較晚，但在材料制備方面已取得較大突破。國(guó)內(nèi)SiC單晶的研究始發(fā)于2000年，主要研究單位有中科院物理研究所、山東大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所、中電集團(tuán)46所等。以相關(guān)的技術(shù)為基礎(chǔ)，能批量生產(chǎn)單晶襯底的公司包括北京天科合達(dá)、山東天岳、河北同光等[7]。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)出6英寸SiC單晶，微管密度和國(guó)際產(chǎn)品相當(dāng)，一定程度上可滿足國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件制備的需求，但我國(guó)SiC單晶襯底質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在巨大差距。

　　3.2.2在碳化硅外延材料方面

　　我國(guó)SiC外延材料研發(fā)工作開發(fā)于“九五計(jì)劃”，材料生長(zhǎng)技術(shù)及器件研究均取得較大進(jìn)展。主要研究單位有中科院半導(dǎo)體研究所、中電集團(tuán)13所和55所、西安電子科技大學(xué)等，產(chǎn)業(yè)化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成[7]。目前我國(guó)已研制成功6英寸SiC外延晶片，且基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？梢詽M足3.3kV及以下電壓等級(jí)SiC電力電子器件的研制。不過，還不能滿足研制10kV及以上電壓等級(jí)器件和研制雙極型器件的需求。

　　3.2.3在碳化硅功率器件方面

　　國(guó)內(nèi)SiC器件研制起步較晚，2000年以來國(guó)內(nèi)多家科研院所開展了相關(guān)研發(fā)工作。

　　我國(guó)科研院所先后研制出了3300V/10A、6000V、10kV等JBS功率芯片，4500V/50A JFET功率模塊，900V、1200V、1700V和3300VMOSFET等樣品。目前，國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件已初步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[3]。

04碳化硅半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景

　　SiC半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，對(duì)新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)和電壓轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。隨著下游行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體功率器件輕量化、高轉(zhuǎn)換效率、低發(fā)熱特性需求的持續(xù)增加，SiC在功率器件中取代Si成為行業(yè)發(fā)展的必然。

　　但是碳化硅功率器件領(lǐng)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(jià)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(yīng)用需求等，全球碳化硅技術(shù)和產(chǎn)業(yè)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(chǎng)擴(kuò)大的步伐。

總結(jié)

　　碳化硅材料具有耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好等獨(dú)特的特點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料越來越受到重視，成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，SiC半導(dǎo)體在未來具有非常廣闊的空間，因此必須加快對(duì)我國(guó)SiC半導(dǎo)體的研發(fā)，打造獨(dú)立自主、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的SiC材料和器件產(chǎn)業(yè)。