第三代半导体材料之碳化硅

    碳化硅SiC是一种由硅﹙Si﹚与碳﹙C﹚以共价键为主结合而成的化合物，其基本单元为Si-C四面体，其中Si原子位于中心，周围为C原子。SiC所有的结构均由Si-C四面体以不同的堆积方式构成。目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有200多种，其中六方结构的4H型SiC（4H-SiC）具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，它具有：（1）临界击穿电场强度是硅材料近10倍；（2）热导率高，超过硅材料的3倍；（3）饱和电子漂移速度高，是硅材料的2倍；（4）抗辐照和化学稳定性好；（5）与硅材料一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层。纯SiC是无色的，工业用碳化硅由于含有铁质等，因而呈现棕色至黑色，晶体上彩虹般光泽则是由于表面产生的二氧化硅钝化层所导致。

 

    功率半导体发展经历了以下的发展历程，以锗、硅等单晶体材料为代表的第一代半导体材料，以砷化镓、磷化铟等化合物为代表的第二代半导体材料，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料。

 

图1 半导体材料的发展历程

 

    近年来，随着半导体技术的飞速发展，传统Si基器件性能在低能耗、高能效以及小型化等方面已经逼近理论极限。相比于Si基半导体材料，SiC能够实现低能耗、高功效与小型化等目标而备受关注。Sic MOSFET因其具有导通电阻低、热稳定性好、开关速度快、阻断电压高等优点，成为目前发展最迅速的功率半导体器件之一。

 

图2 英飞凌生产用于Tesla逆变器里的SiC的器件（24个SiC MOSFET模块）

 

碳化硅产业的发展现状

 

    自二十世纪九十年代以来，美日欧等国相继投入了大量的资金和人力对碳化硅材料和器件进行了深入研究，在器件的性能提升和体积缩小方面取得了重大突破，在这方面，国内也投入了大量的资金和技术，到如今也取得了不错的成绩。例如衬底环节，国际上已经做到8寸的衬底，国内也能做到6寸，8英寸也在研发中，我们和国际领先水平的差距也逐渐缩小。

 

碳化硅生产工艺

 

    碳化硅功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。其中，单晶材料是碳化硅功率半导体技术和产业的基础，外延材料是实现器件制造的关键，器件是整个产业链的核心，模块是实现器件应用的桥梁，应用是碳化硅功率半导体器件和产业发展的源动力。

 

SiC单晶体的生长方法

 

1、物理气相传输法（PVT，Physical vapor transport）

 

    高纯sic粉料置于石墨坩埚的底部作为生长源，籽晶固定在石墨坩埚的顶部，在超过2000℃的高温下将碳化硅多晶粉体加热分解成为Si原子、Si₂C分子和SiC₂分子等气相物质，在温度梯度的驱动下，这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成特定的碳化硅晶体。通过控制PVT的温度场、气流等工艺参数可以结晶形成SiC晶体。碳化硅单晶材料主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种。高质量、大尺寸的碳化硅单晶材料是碳化硅技术发展首要解决的问题，持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度（微管、位错、层错等）是其重点发展方向。

 

图3 PVT设备

 

2、高温化学气相沉积法（HTCVD，High Temperature Chemical Vapor Deposition）

 

    在密闭反应器中，保持合适的反应温度（2000-2300℃）和压力（40kPa），反应炉内通入由H₂或者He载带的SiH₄和C₂H₄。反应气体在高温下分解生成碳化硅并附着在衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长。通过控制反应容积的大小、反应温度、压力和气体组分等条件，得到最佳工艺条件。

 

炉内主要发生的反应：2SiH₄+C₂H₄=2SiC+6H₂

 

图4 HTCVD示意图

 

SiC外延材料

 

    与传统硅功率器件制作工艺不同的是，碳化硅功率器件必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。主要的外延技术是化学气相沉积（CVD），通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料。产业化方面，我国20μm及以下的碳化硅外延材料产品水平接近国际先进水平；在研发方面，我国开发了100μm的厚外延材料，在厚外延材料缺陷控制等方面距离国际先进水平有一定的差距。

 

碳化硅功率器件

 

    碳化硅功率半导体器件主要有结势垒肖特基功率二极管（JBS）、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管（MPS）；金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和门极可关断晶闸管（GTO）等。

 

碳化硅功率模块

 

 

    为了进一步提升碳化硅功率器件的电流容量，通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。碳化硅功率模块首先是从由硅IGBT芯片和SiC JBS二极管芯片组成的混合功率模块产品发展起来的。基于我国成熟的硅基功率模块的封装技术和产业，我国碳化硅功率模块的产业化水平紧跟国际先进水平。

 

图5碳化硅半导体产业链简图

 

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