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前言

半导体材料通过多年的发展,目前可以分为三代,即第一代半导体“元素半导体”,典型如硅基和锗基半导体,适用于数据的运算和存储;其中硅基半导体技术较为成熟,应用也较广;第二代是砷化镓、磷化铟为基础的的III-V族化合物半导体,在电和光的转化方面性能突出,在微波信号传输方面的效率更高,可被广泛应用到照明、显示、通讯等各个领域[1]。


碳化硅(SiC)是新世纪具有广阔发展潜力的第三代新型半导体材料,SiC晶片和外延衬底在通信、汽车、电网、航空、航天、石油开采以及国防等各个领域有着广阔的应用前景[2]。


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碳化硅半导体的特点及其应用



1.1特点


碳化硅材料具有优良的热力学和电化学性能。在热力学方面,碳化硅硬度在20℃时高达莫氏9.2-9.3,是最硬的物质之一,可以用于切割红宝石;导热率超过金属铜,是Si的3倍、GaAs的8-10倍,且其热稳定性高,在常压下不可能被熔化。在电化学方面,碳化硅具有宽禁带、耐击穿的特点,其禁带宽度是Si的3倍,击穿电场为Si的10倍,且其耐腐蚀性极强[3]。


典型半导体材料特性参数对比


1.2应用


LED器件衬底:采用SiC作衬底的LED器件亮度更高、能耗更低、寿命更长、单位芯片面积更小,且在单功率LED方面具有非常大的优势,应用较为成熟。


电力电子器件:制作耐高压、高温、高频、大功率和高密度电力电子器件,能够适应更为苛刻的工作和生存环境。与传统硅基器件相比,SiC器件可大大降低能耗,提高电力使用效率,同时可降低电力系统尺寸,提高系统运行可靠性并降低系统整机造价。SiC基器件已经在SBD二极管上应用并获得了巨大的成功,国际大公司也不断推出MOSFET、JFET、BJT,甚至IGBT等开关管器件,但都没有真正被广泛应用。


射频微波器件衬底:以SiC为衬底的微波器件输出功率密度是GAaS器件的10倍以上,工作频率达到100GHzpA以上,可以显著提高雷达、通信、电子对抗以及智能武器的整体性能和可靠性。


石墨烯外延衬底:能制造高性能的石墨烯集成电路[2]。


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碳化硅半导体产业链



碳化硅功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延材料、功率器件、模块封装和应用这几个环节。


2.1碳化硅单晶材料


目前碳化硅单晶的生长主要集中到以下两种方法:液相生长法和物理气相传输法(PVT)。液相生长法主要集中在日本的高校和科研院所,采用中频加热,高纯石墨坩埚作为容器,同时提供碳源。溶液加热到1500~1900℃保温数小时,黏在石墨棒上的籽晶跟随着石墨棒一同浸入溶液中,由于石墨坩埚中的温差,提供了晶体生长的过冷度,进而在籽晶上生长晶体。


物理气相传输法生长碳化硅单晶是目前生长大直径、高质量碳化硅单晶最常用的方法。该方法使用感应线圈进行加热。由于法拉第电磁感应定律,坩埚外壁会产生感应电动势,感应电动势产生后由于石墨的导电性会在石墨坩埚中形成涡流,涡流产生焦耳热使石墨坩埚温度升高。通过热辐射、热传导和对流等方式,将热量传递给坩埚内的碳化硅粉料和籽晶,最终建立起单晶生长温度场[4]。


2.2碳化硅外延材料


与传统硅功率器件制作工艺不同的是,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上,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。


2.3功率器件


由于碳化硅半导体材料具有很多特点,如耐高温、损耗率较低、高频化、热传导性能好,因此以其为基础材料生产制作的功率器件得到了大规模应用,如在办公场合常见的电脑、空调、插座等;工业企业中常见的自动化生产链、调节设备等;在城市服务行业,则为电动化交通工具、电力系统、医疗器械等[5]。


按照器件工作形式,SiC功率器件主要包括功率二极管和功率开关管。SiC功率器件与硅基功率器件一样,均采用微电子工艺加工而成。从碳化硅晶体材料来看,4H-SiC和6H-SiC在半导体领域的应用最广,其中4H-SiC主要用于制备高频、高温、大功率器件,而6H-SiC主要用于生产光电子领域的功率器件[3]。


2.4模块封装


与硅IGBT功率模块相比,全碳化硅功率模块可高速开关并可大幅降低开关损耗。为了优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性,并有效地结合功率器件与不同的应用方案,模块封装的研究早已提上了议题。但是,功率器件的封装技术成为摆在大家面前的一个瓶颈。主要问题包括高开关速度引起的高dv/dt和di/dt,高运行温度和高电场强度。


目前常用全碳化硅功率模块还是碳化硅MOSFET和碳化硅二极管的组合,而驱动芯片通常是放置在功率模块以外的驱动板上。驱动芯片与碳化硅MOSFET距离较远,而无法发挥碳化硅MOSFET最优的性能。所以从业者也在研究把碳化硅 MOSFET驱动芯片集成到功率模块内部,形成智能功率模块即IPM[6]。


03


碳化硅半导体材料的研究现状



3.1国外碳化硅半导体材料研究现状


20世纪80年代以来,美、日、欧等发达国家为保持航天、军事和技术强国地位,始终将宽禁带半导体技术放在极其重要的战略地位,投入巨资实施了多项旨在提升装备系统能力。这些国家和地区在碳化硅半导体领域,已走在世界前列。


美国:早在1997年制定的“国防与科学计划”中,美国就明确了宽禁带半导体的发展目标。2014年美国又主导成立了以碳化硅为代表的第三代半导体产业联盟,全力支持宽禁带半导体技术。


日本:从1998年开始,日本政府持续资助宽禁带半导体技术研究。2013年,日本将SiC材料体系纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过SiC器件来实现,以便创造清洁能源的新时代。


欧盟:2014年,欧盟启动为期3年(2014-2017年)的,应用于高效电力系统的SiC电力技术研究计划(SPEED),总投入达1858万欧元,7个国家的12家研究机构和企业参与了该计划。


SiC半导体器件产业化主要以德国英飞凌、美国Cree公司、GE和日本罗姆公司、丰田公司等为代表。SiC电力电子器件首先由英飞凌于2000年前后在JBS二极管上取得突破,打开市场化的僵局,目前SiC JBS二极管已广泛应用于高端电源市场。Cree、英飞凌、罗姆等公司逐步推出SiC MOSFET、JFET等产品,丰田公司则把SiC MOSFET器件应用到电动汽车中。


3.2国内碳化硅半导体材料研究现状


国内碳化硅半导体材料与国外企业的技术水平相差较大,但与前两代半导体技术不同,国内不少专家认为我国有望在以碳化硅为代表的第三代半导体领域实现弯道超车。《中国制造2025》和“十三五规划”也明确将碳化硅行业定位为重点支持行业。国家电网、中国中车、比亚迪、华为等国内企业也在加大针对碳化硅在智能电网、轨道交通、电动汽车、手机通信芯片等领域应用的投资[3]。


3.2.1在SiC单晶材料方面



我国SiC单晶生长研究起步较晚,但在材料制备方面已取得较大突破。国内SiC单晶的研究始发于2000年,主要研究单位有中科院物理研究所、山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中电集团46所等。以相关的技术为基础,能批量生产单晶衬底的公司包括北京天科合达、山东天岳、河北同光等[7]。目前,国内已经生产出6英寸SiC单晶,微管密度和国际产品相当,一定程度上可满足国内半导体器件制备的需求,但我国SiC单晶衬底质量与国际先进水平相比还存在巨大差距。

3.2.2在碳化硅外延材料方面



我国SiC外延材料研发工作开发于“九五计划”,材料生长技术及器件研究均取得较大进展。主要研究单位有中科院半导体研究所、中电集团13所和55所、西安电子科技大学等,产业化公司主要是东莞天域和厦门瀚天天成[7]。目前我国已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本实现商业化。可以满足3.3kV及以下电压等级SiC电力电子器件的研制。不过,还不能满足研制10kV及以上电压等级器件和研制双极型器件的需求。

3.2.3在碳化硅功率器件方面



国内SiC器件研制起步较晚,2000年以来国内多家科研院所开展了相关研发工作。


我国科研院所先后研制出了3300V/10A、6000V、10kV等JBS功率芯片,4500V/50A JFET功率模块,900V、1200V、1700V和3300VMOSFET等样品。目前,国内碳化硅功率器件已初步实现量产[3]。


04


碳化硅半导体材料的发展前景



SiC半导体潜在应用领域较为广泛,对新能源汽车、轨道交通、智能电网和电压转换等领域都具有潜在的应用前景。随着下游行业对半导体功率器件轻量化、高转换效率、低发热特性需求的持续增加,SiC在功率器件中取代Si成为行业发展 的必然[1]。


但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破,比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等,全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距,在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。



总结


碳化硅材料具有耐高温、耐腐蚀、导热性好等独特的特点,具有非常广泛的应用前景,碳化硅作为第三代半导体材料越来越受到重视,成为国内外的研究热点,SiC半导体在未来具有非常广阔的空间,因此必须加快对我国SiC半导体的研发,打造独立自主、具有国际竞争力的SiC材料和器件产业。


参考文献:

[1]贺东葛,王家鹏,刘国敬.碳化硅半导体材料应用及发展前景[J].电子工业专用设备,2018,47(03):1-3.

[2]李丽婷.碳化硅半导体材料研究进展及其产业发展建议[J].厦门科技,2016(05):1-11.

[3]杨玺,苏丹,茹毅,张明宇,黄孟阳,赵煜,甘源.简析碳化硅在半导体行业中的发展潜力[J].云南科技管理,2019,32(04):56-59.

[4]肖龙飞,徐现刚.宽禁带碳化硅单晶衬底及器件研究进展[J].强激光与粒子束,2019,31(04):18-23.


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