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【兆恒機(jī)械】碳化硅元器件的昨天、今天、明天!

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  • 添加日期:2021年07月13日

碳化硅元器件的昨天、今天、明天!

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


【導(dǎo)讀】碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見(jiàn)的礦物,莫桑石。 碳化硅又稱(chēng)碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中,碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種??梢苑Q(chēng)為金鋼砂或耐火砂。



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(zhǎng)使用壽命1~2倍;用以制成的高級(jí)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(jí)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(jí),僅次于世界上最硬的金剛石(10級(jí)),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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)始提供商品化的碳化硅基。

2001年德國(guó)Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品,美國(guó)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(wú)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(guó)際學(xué)會(huì)“ICSCRM 2013”召開(kāi),24個(gè)國(guó)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(lái)之最。國(guó)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(shì)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(guó)對(duì)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(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃,而且一些國(guó)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:

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  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(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏,且通態(tài)電阻并不很大。

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  高頻特性

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  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(duì)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(duì)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(guò)不斷的研究開(kāi)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(chǎng)。但實(shí)際上并非如此。



三、最受關(guān)注的碳化硅MOS




SiC器件分類(lèi)

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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(guó)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(duì)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(duì)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(zhǎng)方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下:

平面vs溝槽

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

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碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

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(wú)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(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)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(shì)。

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(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)(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(lái)的損耗和噪音,便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。

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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(chē)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(shì)。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢(shì),可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制,這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開(kāi)發(fā)的混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV)、純電動(dòng)汽車(chē)(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(kāi)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(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車(chē)上。



四、碳化硅肖特二極管




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(shì)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(shì)

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(méi)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?xún)?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(shì),有如下特點(diǎn):

1. 幾乎無(wú)開(kāi)關(guān)損耗

2. 更高的開(kāi)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(kāi)關(guān)特性幾乎與溫度無(wú)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(kāi)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(lái)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(wú)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。



五、人們是如何評(píng)價(jià)碳化硅的?




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(chǎng)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(chǎng)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(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。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(kāi)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。



六、目前碳化硅器件發(fā)展情況如何?




1,技術(shù)參數(shù):舉例來(lái)說(shuō),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(méi)有差別,高的正向壓降要達(dá)到2V。

2,市場(chǎng)價(jià)格:約為硅材料制造的5到6倍。



七、碳化硅(SiC)器件發(fā)展中的難題在哪里?




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(jiàn)的宏觀缺陷,在碳化硅晶體生長(zhǎng)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(lái)制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過(guò)15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過(guò)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(wèn)題,溫度不能太高,一般不能超過(guò)1800℃,因而生長(zhǎng)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(duì)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(lái)了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問(wèn)題。目前,p型離子注入的問(wèn)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(guò)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(jiàn)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(wèn)題還沒(méi)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(duì)碳化硅MOSFET器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響方面,行業(yè)中還有沒(méi)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。



八、為什么SIC器件還不能普及?




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(wèn)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(zhǎng)只能從氣相開(kāi)始,這個(gè)過(guò)程比SIC的生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(chēng)為L(zhǎng)ely方法生長(zhǎng)的襯底被一種微管缺陷所困擾。

只要一根微管穿過(guò)高壓PN結(jié)就會(huì)破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力,在過(guò)去三年中,這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬(wàn)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(duì)SIC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn)。

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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(mǎn)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(duì)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(wú)疑是新世紀(jì)一種充滿(mǎn)希望的材料。