碳化硅元器件的昨天、今天、明天！

來源：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟

一、碳化硅的前世今生

碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。

碳化硅歷程表

　　1905年 第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅

　　1907年 第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生

　　1955年 理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料

　　1958年 在波士頓召開第一次世界碳化硅會(huì)議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

　　1978年 六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研究。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)技術(shù)”的晶粒提純生長方法

　　1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基。

2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。

2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國際學(xué)會(huì)“ICSCRM 2013”召開，24個(gè)國家的半導(dǎo)體企業(yè)、科研院校等136家單位與會(huì)，人數(shù)達(dá)到794人次，為歷年來之最。國際知名的半導(dǎo)體器件廠商，如科銳、三菱、羅姆、英飛凌、飛兆等在會(huì)議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件。

到現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠商生產(chǎn)碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

二、碳化硅器件的優(yōu)勢特性

碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。

與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

　　高壓特性

　　碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍

　　碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。

　　碳化硅場效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬伏，且通態(tài)電阻并不很大。

　　高頻特性

　　高溫特性

      在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

      目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發(fā),預(yù)計(jì)到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場。但實(shí)際上并非如此。

SiC器件分類

SiC-MOSFET

　　SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

　　在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

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(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

平面vs溝槽

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

碳化硅MOS的優(yōu)勢

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(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)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。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的應(yīng)用

      碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。

碳化硅肖特基二極管

碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)

      碳化硅肖特基二極管（SiC SBD）的器件采用了結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時(shí)，幾乎沒有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點(diǎn)：

1. 幾乎無開關(guān)損耗

2. 更高的開關(guān)頻率

3. 更高的效率

4. 更高的工作溫度

5. 正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作

6. 開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)

碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用

      碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應(yīng)下降，整個(gè)電路板的體積下降30%以上。

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

　　碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

　　近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

1，技術(shù)參數(shù)：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達(dá)到2V。

2，市場價(jià)格：約為硅材料制造的5到6倍。

綜合各種報(bào)道，難題不在芯片的原理設(shè)計(jì)，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決好并不難。難在實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。

　　舉例如下：

　　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(dá)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(jìn)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(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時(shí)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(kuò)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(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)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。

　　4，歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃ 以上時(shí)熱穩(wěn)定性較差。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃、100h ，不過其接觸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

　　5，配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

　　以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對碳化硅MOSFET器件的長期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。

早在20世紀(jì)60年代，碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及，是因?yàn)榇嬖谥S多包括制造在內(nèi)的許多技術(shù)問題。直到現(xiàn)在SIC材料的工業(yè)應(yīng)用主要是作為磨料（金剛砂）使用。

SIC在能夠控制的壓力范圍內(nèi)不會(huì)融化，而是在約2500℃的升華點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SIC 單晶的生長只能從氣相開始，這個(gè)過程比SIC的生長要復(fù)雜的多，SI在大約1400℃左右就會(huì)熔化。使SIC技術(shù)不能取得商業(yè)成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。對SI的情況,單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer）,它是從事生產(chǎn)的前提和保證。一種生長大面積 SIC襯底的方法以在20世紀(jì)70年代末研制成功。但是用改進(jìn)的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。

只要一根微管穿過高壓PN結(jié)就會(huì)破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力，在過去三年中，這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器件的最大尺寸被限制在幾個(gè)平方毫米時(shí)，生產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個(gè)器件的最大額定電流為幾個(gè)安培。因此在SIC功率器件取得商業(yè)化成功之前需要對SIC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn)。

SIC工業(yè)生產(chǎn)的晶片和最佳晶片的微管密度的進(jìn)展

制造不同器件成品率為40% 和90% 的微管密度值

上圖看出，現(xiàn)在SIC材料，光電子器件已滿足要求，已經(jīng)不受材料質(zhì)量影響，器件的工業(yè)生產(chǎn)成品率，可靠性等性能也符合要求。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器件。SIC材料的微管缺陷密度基本達(dá)到要求，僅對成品率還有一定影響。高壓大功率器件用SIC材料大約還要二年的時(shí)間，進(jìn)一步改善材料缺陷密度?？傊徽摤F(xiàn)在存在什么困難，半導(dǎo)體如何發(fā)展， SIC無疑是新世紀(jì)一種充滿希望的材料。