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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。

碳化硅一般采用PVT方法,温度高达2000多度,且加工周期比较长,产出比较低,因而碳化硅衬底的成本是非常高的。

碳化硅外延过程和硅基本上差不多,在温度设计以及设备的结构设计不太一样。

在器件制备方面,由于材料的特殊性,器件过程的加工和硅不同的是,采用了高温的工艺,包括高温离子注入、高温氧化以及高温退火工艺。

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺,由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现,所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的,但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响,处在一个产业的中间环节,对产业的发展起到非常关键的作用。

SiC外延片是SiC产业链条核心的中间环节

目前碳化硅和氮化镓这两种芯片,如果想最大程度利用其材料本身的特性,较为理想的方案便是在碳化硅单晶衬底上生长外延层。

碳化硅外延片,是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜(外延层)的碳化硅片。实际应用中,宽禁带半导体器件几乎都做在外延层上,碳化硅晶片本身只作为衬底,包括GaN外延层的衬底。

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。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。

碳化硅材料的特性从三个维度展开:

1. 材料的性能,即物理性能:禁带宽度大、饱和电子飘移速度高、存在高速二维电子气、击穿场强高。这些材料特性将会影响到后面器件的性能。

2. 器件性能:耐高温、开关速度快、导通电阻低、耐高压。优于普通硅材料的特性。反映在电子电气系统和器件产品中。

3. 系统性能:体积小、重量轻、高能效、驱动力强。

碳化硅的耐高压能力是硅的10 倍,耐高温能力是硅的2 倍,高频能力是硅的2 倍;相同电气参数产品,采用碳化硅材料可缩小体积50%,降低能量损耗80%。

这也是为什么半导体巨头在碳化硅的研发上不断加码的原因:希望把器件体积做得越来越小、能量密度越来越大。

硅材料随着电压的升高,高频性能和能量密度不断在下降,和碳化硅、氮化镓相比优势越来越小。

碳化硅主要运用在高压环境,氮化镓主要集中在中低压的领域。造成两者重点发展的方向有重叠、但各有各的路线。通常以650V 作为一个界限:650V以上通常是碳化硅材料的应用,650V 以下比如一些消费类电子上氮化镓的优势更加明显。

SiC外延片关键参数

碳化硅外延材料的最基本的参数,也是最关键的参数,就右下角黄色的这一块,它的厚度和掺杂浓度均匀性。

我们所讲外延的参数其实主要取决于器件的设计,比如说根据器件的电压档级的不同,外延的参数也不同。

一般低压在600伏,我们需要的外延的厚度可能就是6个μm左右,中压1200~1700,我们需要的厚度就是10~15个μm。高压的话1万伏以上,可能就需要100个μm以上。所以随着电压能力的增加,外延厚度随之增加,高质量外延片的制备也就非常难,尤其在高压领域,尤其重要的就是缺陷的控制,其实也是非常大的一个挑战。

SiC外延片制备技术

碳化硅外延两大主要技术发展,应用在设备上

  • 1980年提出的台阶流生长模型

此对外延的发展、对外延的质量都起到了非常重要的作用。它的出现首先是生长温度,可以在相对低的温度下实现生长,同时对于我们功率器件感兴趣的4H晶型来说,可以实现非常稳定的控制。

  • 引入TCS,实现生长速率的提升
  • 引入TCS可以实现生长速率达到传统的生长速率10倍以上,它的引入不光是生产速率得到提升,同时也是质量得到大大的控制,尤其是对于硅滴的控制,所以说对于厚膜外延生长来说是非常有利的。这个技术率先由LPE在14年实现商业化,在17年左右Aixtron对设备进行了升级改造,将这个技术移植到了商业的设备中。

    碳化硅外延中的缺陷其实有很多,因为晶体的不同所以它的缺陷和其它一些晶体的也不太一样。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡萝卜缺陷,还有一些特有的如台阶聚集。

    基本上很多缺陷都是从衬底中直接复制过来的,所以说衬底的质量、加工的水平对于外延的生长来说,尤其是缺陷的控制是非常重要的。

    碳化硅外延缺陷一般分为致命性和非致命性

    致命性缺陷像三角形缺陷,滴落物,对所有的器件类型都有影响,包括二极管,MOSFET,双极性器件,影响最大的就是击穿电压,它可以使击穿电压减少20%,甚至跌到百分之90。

    非致命性的缺陷比如说一些TSD和TED,对这个二极管可能就没有影响,对MOS、双极器件可能就有寿命的影响,或者有一些漏电的影响,最终会使器件的加工合格率受到影响。

    控制碳化硅外延缺陷,方法一是谨慎选择碳化硅衬底材料;二是设备选择及国产化;三是工艺技术。

    碳化硅外延技术进展情况:

    在低、中压领域,目前外延片核心参数厚度、掺杂浓度可以做到相对较优的水平。

    但在高压领域,目前外延片需要攻克的难关还很多,主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

    在中、低压应用领域,碳化硅外延的技术相对是比较成熟的。基本上可以满足低中压的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一个1200伏器件应用的10μm的外延片,它的厚度、掺杂浓度了都达到了一个非常优的水平,而且表面缺陷也是非常好的,可以达到0.5平方以下。

    在高压领域外延的技术发展相对比较滞后,如上是2万伏的器件上的200μm的一个碳化硅外延材料,它的均匀性、厚度和浓度相对于上述介绍的低压差很多,尤其是掺杂浓度的均匀性。

    同时,高压器件需要的厚膜方面,目前的缺陷还是比较多的,尤其是三角形缺陷,缺陷多主要影响大电流的器件制备。大电流需要大的芯片面积。同时它的少子寿命目前也比较低。

    在高压方面的话,器件的类型趋向于使用于双极器件,对少子寿命要求比较高,从右面这个图我们可以看到,要达到一个理想的正向电流它的少子寿命至少要达到5μs以上,目前的外延片的少子寿命的参数大概在1~2个μs左右,所以说还对高压器件的需求目前来说还没法满足,还需要后处理技术。

    SiC外延片制备设备情况

    碳化硅外延材料的主要设备,目前这个市场上主要有四家:

    1、德国的Aixtron:特点是产能比较大;

    2、意大利的LPE,属于单片机,生长速率非常大。

    3、日本的TEL和Nuflare,其设备的价格非常昂贵,其次是双腔体,对提高产量有一定的作用。其中,Nuflare是最近几年推出来的一个非常有特点的设备,其能高速旋转,可以达到一分钟1000转,这对外延的均匀性是非常有利的。同时它的气流方向不同于其他设备,是垂直向下的,所以它可以避免一些颗粒物的产生,减少滴落到片子上的概率。

    行业格局

    在全球市场中,外延片企业主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等,多数是IDM公司。日本也存在比较优越的碳化硅外延的供应商,比如说昭和电工,但它已经不是一个纯粹的做碳化硅外延的,因为他在前几年也收购了日本的新日铁,开始涉及到了碳化硅单晶的制备。

    全球业内的龙头Cree旗下Wolfspeed,是IDM公司,除了对外提供衬底片和外延片,还做器件、模块。Cree 占据衬底市场约 40%份额、器件市场约 23%份额。

    在大陆市场,纯粹做外延片的有:瀚天天成(EpiWorld)和东莞天域半导体均可供应 4-6 英寸外延片,中电科 13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。台湾地区有嘉晶电子。

    ► 北方华创介绍了公司为化合物半导体生产开发的相关刻蚀机等设备。公司表示在化合物半导体SiC/GaN 的刻蚀中存在诸多挑战,包括刻蚀的宽纵比、特殊的刻蚀轮廓的控制、刻蚀的选择性以及过高/过低的刻蚀速率。公司的干法刻蚀解决方案在这些要求中展现了卓越的表现和良率。

    ► 能讯半导体率先在国内开展了GaN 材料与器件的研发与产业化,公司拥有先进的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工艺,可以满足微波功率器件及电力电子器件的应用需求。在制造方面,公司有用亚微米栅极技术、钝化层技术、衬底减薄VIA 通孔技术等。公司目前在昆山拥有6,000/年3” GaN 晶圆片的产能。

    ► 中车时代电气为中国中车子公司,在功率半导体方面处于国内领先水平。半导体相关器件主要用途为轨道交通、输变电及新能源领域。2018 年1 月实现国内首条6” SiC芯片生产线技术调试完成,2 月产线已正式开始流片。该项目总投资为3.5 亿元,可实现4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研发和制造。

    应用领域

    从终端应用层上来看在碳化硅材料在高铁、汽车电子、智能电网、光伏逆变、工业机电、数据中心、白色家电、消费电子、5G通信、次世代显示等领域有着广泛的应用,市场潜力巨大。

    在应用上,分为低压、中压和高压领域

    在低压领域:主要是针对一些消费电子,比如说PFC、电源;举例子:小米和华为推出来快速充电器,所采用的器件就是氮化镓器件。

    在中压领域:主要是汽车电子和3300V以上的轨道交通和电网系统。举例子:特斯拉是使用碳化硅器件最早的一个汽车制造商,使用的型号是model3。

    在中低压领域,碳化硅和氮化镓为竞争关系,更倾向于氮化镓。在中低压碳化硅已经有非常成熟的二极管和MOSFET产品在市场当中推广应用。

    在高压领域:碳化硅有着独一无二的优势。但迄今为止,在高压领域现在还没有一个成熟的产品的推出,全球都在处于研发的阶段。

    电动车是碳化硅的最佳应用场景

    丰田的电驱动模块(电动车的核心部件),碳化硅的器件比硅基IGBT 的体积缩小了50%甚至更多,同时能量密度也比硅基IGBT 高很多。这也是很多厂商倾向于使用碳化硅的原因,可以优化零部件在车上的布置,节省更多的空间。

    特斯拉Model 3 电驱动模块:采用24 颗意法半导体碳化硅器件,丰田也计划2020年推出搭载碳化硅器件的电动车,丰田作为日系厂商较为倾向于日系的供应商,目前是三菱或富士在争取这些业务和丰田开展合作。


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