关于碳化硅电子器件发展分析

1、碳化硅电力电子器件的发展现状分析目录1.SiC设备的材料和制造工艺21.1 SiC单晶21.2 SiC外延31.3 SiC设备进程42. SiC二极管的产业化53. SiC JFET设备的产业化发展64. SiC MOSFET器件的实用化取得了突破75. SiC IGBT设备86. SiC功率双极设备97. SiC功率模块108 .国内发展现状119. SiC电力电子设备面临的课题119.1芯片制造成本太高119.2材料缺陷多，单芯片电流小129.3器件密封材料和技术必须提高12十.总结12在过去的十五年到二十年间，在碳化硅电力电子部件领域取得了引人注目的成果，所开发的碳化硅部件的性能指标远远

2、超过了现在的硅基板部件，成功地实现了一部分碳化硅部件的产业化，在一些重要的能源领域开始取代硅基板电力电子部件，并首次显示出其巨大的潜力碳化硅电力电子器件的持续进步给电力电子技术领域的发展带来了革命性的推动作用。 随着SiC单晶和外延材料技术的进步，开发了各种各样的SiC器件。 SiC器件主要由二极管和开关管组成。 SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新结构和PiN型二极管。 SiC开关管种类很多，代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET )、结型场效应开关管(JFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT种。1. SiC设备的材料和制造工艺1.1 SiC单晶1842年发现了碳化

3、硅，直到1955年菲利普斯(荷兰)实验室的Lely开发出了生长高品质碳化硅结晶材料的方法。 1987年，商业生产的SiC基板进入市场，进入21世纪后，SiC基板的商业应用全面展开。 碳化硅分为立方相(闪锌矿结构)、六方相(纤锌矿结构)和菱方相三种260多种结构，目前只有六方相的4H-SiC、6H-SiC有商业价值，美科锐(Cree )等公司已经量产了这种基板。 立方相(3C-SiC )不能得到有商业价值的成品。SiC单晶的生长经历了Acheson法、leley法、改良leley法三个阶段。 利用SiC的高温升华分解这一特性，可以利用升华法Lely法使SiC结晶生长。 升华法是目前商业生产SiC

4、单晶最常用的方法，在石墨坩埚和多孔石墨管之间加入SiC粉体，在惰性气体(氩气)环境温度为2 500的条件下升华生长，生成板状SiC晶体。 因为leley法是自发核生长法，所以不容易控制生长的SiC结晶的结晶型，因为得到的结晶尺寸小，所以出现了改进的leley法。 改良后的Lely法也被称为使用种晶的升华法和物理气相输送法(简称为PVT法)。 PVT法的优点在于，可以控制使用SiC种晶生长的结晶的结晶型，克服Lely法自发核生长的缺点，可以得到单一结晶型的SiC单晶，并且可以生长大尺寸的SiC单晶。 国际上基本上使用PVT法制造碳化硅单晶。 现在，能提供4H-SiC芯片的企业主要集中在欧美和日本

5、。 其中Cree产量占世界市场的85%以上，占SiC晶体生长和相关器件制作研究的前沿。 目前，Cree的6英寸SiC芯片已经商品化，可以少量发货。 另外，国内外有大规模的SiC芯片供应商，年销售额在1万张左右。 因为creek生产的SiC芯片的80%以上是自己消化，用作LED基板的材料，所以creek是世界上唯一大量生产SiC基LED设备的公司，该业务突出了其市场表现，公司的股价收益率长期处于上位。目前，另一种碳化硅晶体生长方法采用高温化学气相生长法(HTCVD )。 用气态高纯度碳源和硅源在2200左右合成碳化硅分子，凝聚生长成种晶，生长速度一般为0.51mm/h左右，比PVT法稍高，也有能

6、够达到2mm/h的生长速度的研究机构。 气体状的高纯度碳源和硅源比高纯度SiC粉末容易得到，成本便宜。 因为气体源几乎没有杂质，所以生长时如果不加入n型掺杂剂或p型掺杂剂，生长的4H-SiC是高纯度半绝缘(HPSI )半导体。 HPSI和SI不同，前者的载流子浓度在3.5101381015/cm3范围，具有高电子迁移率的后者同时进行n、p补偿，为高电阻材料，电阻率高，一般用于微波器件基板，不通电。 如果生长n型掺杂和p型掺杂的4H-SiC也非常控制的话，只要分别流过氮和硼的气体源就可以实现，而且通过控制流过的氮和硼的流量，可以控制碳化硅结晶的导电强弱。 现在瑞典的Norstel AB公司使用H

7、TCVD商业生产碳化硅基板材料(n型、p型、HPSI型)，现在销售4英寸HPSI型4H-SiC基板。1.2 SiC外延为了制造碳化硅半导体器件，需要在碳化硅晶片表面生长一层或几层碳化硅薄膜。 这些薄膜具有不同的n、p导电类型，目前主流方法是化学气相沉积法同质外延生长。 在碳化硅外延生长方案中，基板发挥很大的支配作用，早期碳化硅在无角基板上外延生长，即从锭切出的晶片，其外延表面法线和结晶轴(c轴)的角度=0，例如碳化硅晶片的Si(0001 )。 外延表面几乎没有台阶，外延生长有望通过理想的二维核生长模型来控制。 但是在实际增长中，我们发现外延结果并不那么理想。 由于碳化硅是多形体材料，所以在外延

8、层中容易产生多形体夹杂，例如在4H-SiC外延层中存在3C-SiC夹杂，使外延层为杂质而形成混合相结构，对碳化硅器件的性能有很大影响，用这样的外延材料另外，这种外延层的宏观外延缺陷密度大，无法通过通常的半导体工艺制造器件，即，薄膜质量难以达到晶片级外延水平。之后，发展了八斜切碳化硅衬底，经过几十年的发展而完善，现在已成为碳化硅外延的主要技术方案。 与无角基板相比，偏角8斜切基板的外延表面具有高台阶密度，台面长度短，一般为十几nm，反应物容易从台面转移到台阶扭曲。 在外延的情况下，不需要等待扭曲沿着台面移动到表面的端部，所有扭曲同时以相同的速度移动，是所谓的阶跃流控制(step-flow )外延

9、生长机构，直到外延生长结束。 偏压8斜切基板可以利用台阶流控制生长，解决了多态性的存在和宏观缺陷等问题，但也有固有的缺点。 Cree在SiC衬底制造方面处于业界领先地位，其产品是业界的趋势指标，标志着需求的发展方向。 首先，基板的斜切在增加外延台阶的同时，还导入了基底面变位，其次，基板的斜切使基板的生产率降低，引起大的原材料浪费，增加了基板的制造成本。 当晶片直径变大时，这个问题变得更显着。 Cree现在提供的主流基板片主要是4英寸和6英寸的大型芯片，其中4英寸的芯片没有偏离角为4和偏离角，可以定制8的6英寸片只提供没有偏角的。 在相同规格(产品等级、掺杂型、微管密度等)的基板片中，偏角8的比

10、偏角4的高度约为1000美元，偏角4的无比偏角的高度约为1200美元，基板片的使用量多的情况下，这是相当多的数量。 因此，从以上分析和目前的发展趋势来看，大偏角倾斜衬底必然是一种迁移方案，在世界各国科技人员的努力下，外延必须回归到小偏角倾斜衬底的方向。 目前，Cree主推偏角为4块基板。1.3 SiC设备进程碳化硅器件的工艺和设备与硅器件有很强的兼容性，但不能原封不动。 与硅相比，碳化硅器件工艺的温度一般相当高。 碳化硅晶片小、易碎、透明、不易适应，但一些大学实验室灵活，而且价格高，大公司的生产线已成为开发碳化硅器件的流程的主力。掺杂是最基本的设备过程。 一般的碳化硅中的杂质扩散系数和Si02

11、一样低，在适合于有效地扩散碳化硅的温度下，Si02对杂质失去掩蔽作用，碳化硅本身也在这样的高温下不稳定，因此不应该采用扩散掺杂，主要是离子注入和材料制的各种在碳化硅材料的气相生长过程中，n型掺杂一般以电子级纯度的氮为掺杂剂，p型掺杂一般使用三甲基铝。 n型离子注入的杂质也一般是氮。 氮离子注入对晶格的损伤容易通过退火去除。 p型离子注入的杂质一般也是铝。 因为铝原子比碳原子大得多，所以注入对晶格的损伤或杂质处于惰性状态时，多在相当高的基板温度下进行，在更高的温度下退火。 这带来了晶片表面的碳化硅分解，硅原子升华的问题。 如果残留碳能形成石墨状碳膜，就有助于阻止表面分解。 于是，相当于碳的大小的

12、硼也成为经常使用的p型注入杂质。 目前，p型离子注入问题还很多，从杂质选择到退火温度一系列工艺参数需要优化，p型离子注入对提高功率MOS的沟道迁移率至关重要。因为栅极氧化物和碳化硅之间的界面缺陷对功率MOS的沟道迁移率也有重要的影响，所以栅极气氛化合物的生长和沉积很重要。 除了硅这样的热氧化之外，碳化硅在燃烧法中也能使栅极氧化物生长，该方法的界面能级密度低。 用热氧化法在NO中生长栅极氧化物也能降低界面能级的密度。 在相同的栅极氧化物生长方法中，6H-SiC沟道迁移率高于4H-SiC的主体材料中的载流子迁移率，4H-SiC高于6H-SiC。 这表明4H-SiC的氧化物界面缺陷的问题很严重。采用

13、1400的高温快速退火法，n型和p型4H-SiC的欧姆接触能达到单位面积的接触电阻为10-5cm2级的低水平，使用的电极材料分别为Ni和A1。 但是，该接触在400C以上的热稳定性差。 p型4H-SiC采用Al/Ni/W/Au复合电极的话，热稳定性会提高到600100小时，但接触比电阻高达10-3cm2。 使用TaC和AlSi合金电极也能得到同样的效果。 6H-SiC比4H-SiC更容易得到低电阻欧姆接触，其接触电阻率低至10-6cm2。高压硅器件中采用的许多终端技术和钝化技术，例如场板、场环、终端等也可以应用于碳化硅器件。 此外，向接合终端注入大量的Ar和b，通过损伤晶格形成高电阻区域，起到

14、像硅功率器件中的半绝缘多晶硅(SIPOS )一样的作用也具有明显的效果。 如果在注入Ar、b离子后在600下退火，器件的逆特性也进一步改善。目前，SiC功率器件的密封技术和方法通常参考Si IGBT密封技术，在DBC布局、芯片接合、高温焊锡、硅胶填充、密封材料等方面存在问题，对SiC器件的密封有特殊要求，三菱、半、富士等公司在密封材料和结构方面有所新例如三菱的铜针布线技术、半导体公司的低温纳米银烧结技术、富士公司的低电感和最佳DBC布局设计。2. SiC二极管产业化在SiC电力电子器件中，SiC二极管首先实现了产业化。 一般分为肖特基二极管(Schottkybarrierdiode，SBD )

15、、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(junctionbarrierSchottky，JBS )三种。 在5kV截止电压以下的范围内，碳化硅SBD具有一定的优点，但是在pn结二极管中，由于其内部的电感调制作用而显示出低导通电阻，适合制作45kV以上的电压电平的器件。 JBS二极管结合了肖特基二极管具有的优秀开关特性和pn结二极管具有的低漏电流的特征。 此外，仅稍微调整JBS二极管的结构参数和制造过程，就能形成混合PiN-肖特基二极管(mergedPiNSchottky，MPS )。2001年德国的Infineon公司首次发售了SiC二极管产品，美国的Cree和意大利的半导体等制造商随后也推出

16、了SiC二极管产品。 在日本，罗姆人、新日本无线、瑞萨电子等生产了SiC二极管。 很多企业开发肖特基势垒二极管(SBD )和JBS结构二极管。 现在，SiC二极管存在600V1700V的电压电平和50A的电流电平的产品。SiC肖特基二极管可以提供几乎理想的动态性能。 作为单体器件，在其工作中没有电荷积蓄，因此，反向恢复电流仅为其耗尽层结电容，反向恢复电荷和反向恢复损失比Si超高速恢复二极管低12位。 更重要的是，相应地，开关管的导通损失也大幅减少，提高电路的开关频率。 而且，因为几乎没有正向恢复电压，所以可以立即导通，不存在双极器件的导通延迟现象。 在常温下，其正的导通电压降与Si超高速恢复元

17、件大致相同，但是由于SiC肖特基二极管的导通电阻具有正的温度系数，所以有利于并联连接多个SiC肖特基二极管。 在二极管的单芯片面积和电流受到限制的情况下，这可以大幅度增加SiC肖特基二极管的容量，实现大容量的应用。 目前实验室报告的最大容量的SiC二极管已经达到6500V/1000A的水平。 由于SiC开关管的发展相对于二极管来说较慢，现在通常将SiC二极管、Si IGBT和MOSFET装置封装在一个模块中，以形成电源开关的组合。 目前，Cree、Microsemi、Infineon和Rohm的SiC肖特基二极管用逆变器装置替换了硅基高速恢复二极管，显着提高了工作频率和机械整体的效率。 中低压

18、SiC肖特基二极管目前在高端通信开关电源、光电复合逆变器领域有很大影响。SiC肖特基二极管的发展方向是基板薄化技术和Trench JBS结构。 基板薄化技术可以有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器件的浪涌电流能力，减小器件的热电阻。 Infineon于2012年9月发布了第五代SiC SBD产品，首次采用了基板薄型化技术。 在SiC晶格中，用JBS结构进行了离子注入，p阱的深度受到限制(1um )，在反偏置条件下，浅p-n结对肖特基结的遮蔽作用不特别显着，只能在相邻的p阱间的间隔小的情况下强调，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄的效果是顺为了解决这一问题，下一代SiC肖特基二极管的发展方向是Trench JBS结构。 Cree公司的下一代SiC肖特基二极管同时采用了Trench JBS结构和基板薄化