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              新聞中心

              碳化硅產業鏈條核心:外延技術


              01.碳化硅外延

              外延工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝,由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現,所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的,但是外延的質量它又受到晶體和襯底。加工的影響,處在一個產業的中間環節,對產業的發展起到非常關鍵的作用。

              碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同,不能直接制作在碳化硅單晶材料上,必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料,并在外延層上制造各類器件。

              碳化硅一般采用PVT方法,溫度高達2000多度,且加工周期比較長,產出比較低,因而碳化硅襯底的成本是非常高的。

              碳化硅外延過程和硅基本上差不多,在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。

              在器件制備方面,由于材料的特殊性,器件過程的加工和硅不同的是,采用了高溫的工藝,包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。


              02.SiC外延片是SiC產業鏈條核心的中間環節

              目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片,如果想最大程度利用其材料本身的特性,較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。

              碳化硅外延片,是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜(外延層)的碳化硅片。實際應用中,寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上,碳化硅晶片本身只作為襯底,包括GaN外延層的襯底。

              我國SiC外延材料研發工作開發于“九五計劃”,材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等,產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本實現商業化??梢詽M足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過,還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。

              碳化硅材料的特性從三個維度展開:

              1.材料的性能,即物理性能:禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。

              2. 器件性能:耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統和器件產品中。

              3. 系統性能:體積小、重量輕、高能效、驅動力強。

                  碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍,耐高溫能力是硅的2 倍,高頻能力是硅的2 倍;相同電氣參數產品,采用碳化硅材料可縮小體積50%,降低能量損耗80%。

                  這也是為什么半導體巨頭在碳化硅的研發上不斷加碼的原因:希望把器件體積做得越來越小、能量密度越來越大。

                  硅材料隨著電壓的升高,高頻性能和能量密度不斷在下降,和碳化硅、氮化鎵相比優勢越來越小。

                  碳化硅主要運用在高壓環境,氮化鎵主要集中在中低壓的領域。造成兩者重點發展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個界限:650V以上通常是碳化硅材料的應用,650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優勢更加明顯。

              SiC外延片關鍵參數

                  碳化硅外延材料的最基本的參數,也是最關鍵的參數,就右下角黃色的這一塊,它的厚度和摻雜濃度均勻性。

                  我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計,比如說根據器件的電壓檔級的不同,外延的參數也不同。

                  一般低壓在600伏,我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右,中壓1200~1700,我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上,可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加,外延厚度隨之增加,高質量外延片的制備也就非常難,尤其在高壓領域,尤其重要的就是缺陷的控制,其實也是非常大的一個挑戰。

              03.碳化硅外延技術進展情況

              在低、中壓領域,目前外延片核心參數厚度、摻雜濃度可以做到相對較優的水平。但在高壓領域,目前外延片需要攻克的難關還很多,主要參數指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。

              在中、低壓應用領域,碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。

              基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片,它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優的水平,而且表面缺陷也是非常好的,可以達到0.5平方以下。

              在高壓領域外延的技術發展相對比較滯后,如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料,它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多,尤其是摻雜濃度的均勻性。

              同時,高壓器件需要的厚膜方面,目前的缺陷還是比較多的,尤其是三角形缺陷,缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。

              04.應用領域

              從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網、光伏逆變、工業機電、數據中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用,市場潛力巨大。

              在應用上,分為低壓、中壓和高壓領域

              在低壓領域:主要是針對一些消費電子,比如說PFC、電源;舉例子:小米和華為推出來快速充電器,所采用的器件就是氮化鎵器件。

              在中壓領域:主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網系統。舉例子:特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商,使用的型號是model3。

              在中低壓領域,碳化硅和氮化鎵為競爭關系,更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經有非常成熟的二極管和MOSFET產品在市場當中推廣應用。

              在高壓領域:碳化硅有著獨一無二的優勢。但迄今為止,在高壓領域現在還沒有一個成熟的產品的推出,全球都在處于研發的階段。

              電動車是碳化硅的最佳應用場景。


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