碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,介绍了碳化硅的前世今生,碳化硅器件的优势特性,
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
碳化硅历程表
1905年第一次在陨石中发现碳化硅，
1907年第一只碳化硅晶体发光二极管诞生，
1955年理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子材料，
1958年在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交流，
1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法，
1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。
2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。
2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。
到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。
碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。
与普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：
1、高压特性
碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍，碳化硅肖特基管耐压可达2400V。碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。
2、高频特性
3、高温特性
在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。
目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。
1、SiC-MOSFET
SiC-MOSFET是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。
碳化硅MOS的结构碳化硅MOSFET（SiCMOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：
平面vs沟槽
SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性
碳化硅MOS的优势
硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半，50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。
碳化硅MOS管的应用
碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiCMOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。
1、碳化硅肖特基二极管结构
碳化硅肖特基二极管（SiCSBD）的器件采用了结势垒肖特基二极管结构（JBS），可以有效降低反向漏电流，具备更好的耐高压能力。
2、碳化硅肖特基二极管优势
碳化硅肖特基二极管是一种单极型器件，因此相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流（如图1.2a），反向恢复时间小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。
概括碳化硅肖特基二极管的主要优势，有如下特点：
1.几乎无开关损耗
2.更高的开关频率
3.更高的效率
4.更高的工作温度
5.正的温度系数，适合于并联工作
6.开关特性几乎与温度无关
碳化硅肖特基二极管的应用
碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率领域，可显著的减少电路的损耗，提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在300kHz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。
几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅：
碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。
近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。
1，技术参数：举例来说，肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上，芯片面积小了，但电流只有几十安。工作温度提高到180℃，离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意，与硅材料没有差别，高的正向压降要达到2V。
2，市场价格：约为硅材料制造的5到6倍。
综合各种报道，难题不在芯片的原理设计，特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。
举例如下：
1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷，在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前，大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体，微管密度低于0.5cm-2。
2，外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过1800℃，因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高，但产量较低。
3，掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂，碳化硅扩散温度远高于硅，此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定，因此不宜采用扩散法掺杂，而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多，注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，往往要在相当高的衬底温度下进行，并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前，p型离子注入的问题还比较多，从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。
4，欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极，要求接触电阻低于10-5Ωcm2，电极材料用Ni和Al可以达到，但在100℃以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h，不过其接触比电阻高达10-3Ωcm2。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。
5，配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作，但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如，电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。
以上仅举数例，不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法，如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面，行业中还有没有达成一致的结论等，大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。
早在20世纪60年代，碳化硅器件的优点已经为人们所熟知。之所以目前尚未推广普及，是因为存在着许多包括制造在内的许多技术问题。直到现在SIC材料的工业应用主要是作为磨料（金刚砂）使用。
SIC在能够控制的压力范围内不会融化，而是在约2500℃的升华点上直接转变为气态。所以SIC单晶的生长只能从气相开始，这个过程比SIC的生长要复杂的多，SI在大约1400℃左右就会熔化。使SIC技术不能取得商业成功的主要障碍是缺少一种合适的用于工业化生产功率半导体器件的衬底材料。对SI的情况,单晶衬底经常指硅片（wafer）,它是从事生产的前提和保证。一种生长大面积SIC衬底的方法以在20世纪70年代末研制成功。但是用改进的称为Lely方法生长的衬底被一种微管缺陷所困扰。
只要一根微管穿过高压PN结就会破坏PN结阻断电压的能力，在过去三年中，这种缺陷密度已从每平方毫米几万根降到几十根。除了这种改进外，当器件的最大尺寸被限制在几个平方毫米时，生产成品率可能在大于百分之几，这样每个器件的最大额定电流为几个安培。因此在SIC功率器件取得商业化成功之前需要对SIC的衬底材料作更大技术改进。
SIC工业生产的晶片和最佳晶片的微管密度的进展
上图看出，现在SIC材料，光电子器件已满足要求，已经不受材料质量影响，器件的工业生产成品率，可靠性等性能也符合要求。高频器件主要包括MOSFETSCHOTTKY二极管内的单极器件。SIC材料的微管缺陷密度基本达到要求，仅对成品率还有一定影响。高压大功率器件用SIC材料大约还要二年的时间，进一步改善材料缺陷密度。总之不论现在存在什么困难，半导体如何发展，SIC无疑是新世纪一种充满希望的材料。
史上最全第三代半导体产业发展介绍（附世界各国研究概况解析）
第3代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料，各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力，是世界各国半导体研究领域的热点。
目前，第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同（见图）。
第3代半导体各应用领域示意图
1、碳化硅单晶材料
在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。
随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。
SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon公司、Sixon公司；芬兰的Okmetic公司；德国的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平，专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。
2、氮化镓材料
GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构，它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的1/2；其化学性质稳定，常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性，宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等，因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的最优选材料，相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外，氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。
近年来，以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。作为一种具有独特光电属性的半导体材料，GaN的应用可以分为两个部分：凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料；凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。
国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早，现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出现了可以生产氮化镓体单晶材料的公司，其中以美国、日本的研究水平最高。
美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究，一直处于领先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。Kyma公司现在已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底，且已研制出4英寸氮化镓单晶衬底。
日本在氮化镓衬底方面研究水平也很高，其中住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底，日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展了相关研究。日立电线的氮化镓衬底，直径达2英寸，衬底上位错密度都达到1×106cm-2水平。
欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产GaN材料采用HVPE工艺，位错密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，面积大于400mm2。综上，国外的氮化镓体单晶衬底研究已经取得了很大进展，部分公司已经实现了氮化镓体单晶衬底的商品化，技术趋于成熟，下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料。
3、氮化铝材料
AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接带隙，可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓等材料相比，覆盖的光谱带宽更大，尤其适合从深紫外到蓝光方面的应用，同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作，是最具发展前景的一类半导体材料。
AlN材料具有宽禁带(6.2eV)，高热导率(3.3W/cm·K)，且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好，所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED，LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。
近年来，GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展。在AlGaNHEMT器件方面，AlN与GaN材料相比有着更高的热导率，而且更容易实现半绝缘；与SiC相比，则晶格失配更小，可以大大降低器件结构中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底，其优点包括：与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配；化学性质相容；晶体结构相同，不出现层错层；同样有极化表面；由于有很高的稳定性并且没有其它元素存在，很少会有因衬底造成的沾污。AlN材料能够改善器件性能，提高器件档次，是电子器件发展的源动力和基石。
目前国外在AlN单晶材料发展方面，以美国、日本的发展水平为最高。美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或蓝宝石衬底上淀积10～30μm的电绝缘AlN层。主要用作低缺陷电绝缘衬底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已经有2、3、4、6英寸产品。日本的AlN技术研究单位主要有东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学等，已经取得了一定成果，但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达到15mm的PVTAlN单晶样品。在国内，AlN方面的研究较国外明显滞后，一些科研单位在AlNMOCVD外延生长方面，也有了初步的探索，但都没有明显的突破及成果。
4、金刚石
金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。在这种结构中，每个碳原子以“强有力”的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金刚石晶体中，碳原子半径小，因而其单位体积键能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。
另外，金刚石材料还具有禁带宽度大(5.5eV)；热导率高，最高达120W/cm·K(-190℃)，一般可达20W/cm.K(20℃)；传声速度最高，介电常数小，介电强度高等特点。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性，应用十分广泛，除传统的用于工具材料外，还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。
5、氧化锌
氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料，禁带宽度为3.37eV；另外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)，降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发效率。基于这些特点，ZnO材料既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。
它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件，还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等。相对于GaN，ZnO制造LED、LD更具优势，具预计，ZnO基LED和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍，而价格和能耗则只有后者的1/10。
ZnO材料以其优越的特性被广泛应用，受到各国极大关注。
日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展，掀起世界ZnO研究热潮。据报道，日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶；我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。材料技术的进步同时引导和推进器件技术的进步，日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED；我国也成功制备出国际首个同质ZnO－LED原型器件，实现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步，推动ZnO半导体材料实用化进程，由于其独特的优势，在国防建设和国民经济上将有很重要的应用，前景无限。
宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。返回搜狐，查看更多
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关于碳化硅中国碳化硅行业是一个极具潜力的行业，其涉及的产品多样化，产业链深入，应用领域广泛，具有良好的市场发展前景。 我们都知道，碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，它突破硅基半导体材料物理限制，成为第三代半导体核心材料。碳化硅材料性能优势引领功率器件新变革。功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制。以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率 器件，具有耐高压、耐高温、能量损耗低、功率密度高等优势，可实现 功率模块小型化、轻量化。相同规格的碳化硅基 MOSFET 与硅基MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的 1/10，导通电阻可至少降 低至原来的 1/100。相同规格的碳化硅基 MOSFET 较硅基 IGBT 的总 能量损耗可大大降低 70%。碳化硅功率器件主要应用于新能源车的电驱电控系统，相较于传统硅基 功率半导体器件，碳化硅功率器件在耐压等级、开关损耗和耐高温性方面具备许多明显的优势，有助于实现新能源车电力电子驱动系统轻量化、高 效化，它广泛应用于新能源车的主驱逆变器、OBC、DC/DC 转换器和非 车载充电桩等关键电驱电控部件。各大主流新能源车厂商积极布局碳化硅车型。碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速度。SiC 在新能源汽车上的应用将在保证汽车的强度和安全性能的前提下大大减轻汽车的重量，有效提升电动车 10%以上的续航里程，减少80%的电控系统体积。应用于直流快速充电桩的碳化硅市场空间未来有望大增。由于成本的原 因，目前直流充电桩的碳化硅器件使用比例还相对较低。但通过配置碳 化硅功率器件，直流快速充电桩能极大简化内部电路，提高充电效率， 减小散热器的体积和成本，减小系统整体的尺寸、重量。随着 800V 快充技术的应用，直流充电桩碳化硅市场有望高速增长。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。受益于中国 5G 通讯、 新能源等新兴产业的技术水平、产业化规模的世界领先地位，国内碳化硅器件巨大的应用市场空间驱动上游半导体行业快速发展，国内碳化硅厂商具有自身优势。在全球半导体材料供应不足的背景下，国际龙头企业纷纷提出碳化硅产能扩张计划并保持高研发投入。同时，国内本土 SiC 厂家加速碳化硅领域布局，把握发展机会，追赶国际龙头企业。微碧半导体是一家专注于半导体器件设计、制造和销售的企业，它新出的碳化硅MOS管（SiC MOSFET）采用了硅和宽带隙技术，具有更大的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量、更低的总体成本等优势，该产品适用于600V以上的高压场景，包括光伏、新能源汽车、充电桩、风电、轨道交通等电力电子领域。以下是VBsemi的SiC产品：产品封装微碧产品拥有SOT23、D F N、SOT-89、SOP-8 、TO-92、TO-251、TO-252、TO-220、TO-220F、TO-263、TO-247、SOT-223、TO3P、TO262、SOT669、TSSOP8、SC70、DIP8、SC75、SOT725等系列封装产品，可满足用户各类需求。应用领域微碧产品广泛应用于汽车领域：电控、电池管理、车载逆变器、车载电子产品、充电桩等；通讯领域：各类电源、交换机等；工业领域：逆变器、变频器、电动工具等；家电领域：风扇、洗衣机、扫地机、冰箱、空调等；消费电子领域：照明灯、医疗设备、无线充、移动电源等，并且产品质量始终保持在行业顶尖水平。台湾VBsemi服务于中高端市场的终端制造商}

@石大小生 写这篇文章的原因是因为看到一个新闻：2023年1月1日，根据晶盛机电官微消息，晶盛机电将在2023年新春期间举办新品发布会，届时将推出6英寸双片式碳化硅外延设备新品。外延至于为什么要外延？一言以蔽之，外延层比衬底材料更易于获得完美可控的晶体结构，更利于材料的应用开发。晶圆制备包括衬底制备和外延工艺两大环节。衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延（epitaxy）是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米，以硅为例：硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上为正外延，若器件制作在衬底上则称为反外延，此时外延层只起支撑作用。外延技术的7大技能1、可以在低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层。2、可以在P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层，直接形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。3、与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。4、可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。5、可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层。6、可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。7、可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。只有体单晶材料难以满足日益发展的各种半导体器件制作的需要。因此，1959年末开发了薄层单晶材料生长技外延生长。那外延技术到底对材料的进步有了什么具体的帮助呢？对于硅而言，硅外延生长技术开始的时候，真是硅高频大功率晶体管制做遇见困难的时刻。从晶体管原理来看，要获得高频大功率，必须做到集电区击穿电压要高，串联电阻要小，即饱和压降要小。前者要求集电区材料电阻率要高，而后者要求集电区材料电阻率要低，两省互相矛盾。如果采用集电极区材料厚度减薄的方式来减少串联电阻，会使硅片太薄易碎，无法加工，若降低材料的电阻率，又与第一个要求矛盾，而外延技术的发展则成功地解决了这一困难。解决方案：在电阻极低的衬底上生长一层高电阻率外延层，器件制作在外延层上，这样高电阻率的外延层保证了管子有高的击穿电压，而低电阻的衬底又降低了基片的电阻，从而降低了饱和压降，从而解决了二者的矛盾。此外，GaAs等Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族以及其他分子化合物半导体材料的气相外延、液相外延等外延技术也都得到很大的发展，已成为绝大多数书微波器件、光电器件、功率器件等制作不可缺少的工艺技术，特别是分子束、金属有机气相外延技术在薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面的成功应用，为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了夯实的基础。SiC外延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。碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同，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。 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95~100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以下几家：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。4、北方华创、晶盛机电、纳设、48所、芯三代等。在国产外延设备方面，北方华创、晶盛机电等企业开始小批量生产碳化硅外延设备，且当下存在发展的良机。一是目前国内外延片的制备受限于设备交付环节（疫情等原因），无法快速放量，主流碳化硅高温外延设备交付周期普遍在1.5-2年以上。二是国内电动车等下游需求爆发，对外延厂商迎来扩产潮，有望推动国产设备替代加速，预计到2023年碳化硅外延设备的年复合增长率有望超过50%。行业格局根据中商产业研究院提供数据，2018年和2021年碳化硅功率器件市场规模分别约4亿和9.3亿美元，复合增速约32.4%，按照该复合增速，预计2022年碳化硅功率器件市场规模约10.9亿美元。受益于5G通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，碳化硅器件市场规模增速可观。从碳化硅器件的制造成本结构来看，衬底成本最大，占比达47%；其次是外延成本，占比为23%。这两大工序是碳化硅器件的重要组成部分。根据Yole提供碳化硅外延片市场需求数据，现在的市场已从4英寸向6英寸转变，从2019年开始，6英寸的需求已经远超4英寸的需求。当前外延主要以4英寸及6英寸为主，往后大尺寸碳化硅外延片占比会逐年递增。虽然当前国际先进厂商已经研发出8英寸碳化硅衬底，但其进入碳化硅功率器件制造市场将是一个漫长的过程。如今，部分厂商如晶盛机电、烁科晶体、中科院物理所等也已成功研发了8英寸SiC单晶。
在全球外延厂商市场格局中，头部企业主要有Wolfspeed(Cree)、DowCorning、II-VI、Norstel、ROHM、三菱电机、Infineon等，其多数是IDM公司，CR7占据市场90%份额。技术方面，WolfSpeed、ROHM、II-VI可实现250微米及以上的厚层生长。业内龙头Wolfspeed作为IDM公司，已完成从衬底到模块的全产业链布局。同理，该外延片市场格局同时也对应了导电性衬底的市场格局。我国碳化硅外延材料的研究于“九五”期间发展起来的，在材料生长技术和器件研究方面取得了较大进展。主要研究单位有中国科学院半导体研究所、中电科13所、55所、西安电子科技大学等。在中低压领域，国内的碳化硅外延已经比较成熟，未来的主要方向是降低成本与加快国产设备的研发。在高压领域则需要头部企业开发产业化的共性技术，并率先应用；此外，国家从政策上给予支持，使高压领域产品尽快市场化。目前，纯碳化硅外延供应商的出现因宽禁带化合物器件的特性所致，在产业链的发展初期，衬底、外延以及器件制造各自分工发展，但在未来产业链协同到一定程度后，外延厂商作为中坚摇摆力量有可能会并入衬底厂商或者器件厂商，提供制备效率，缩短产业链条。国内纯外延产业化比较成熟的企业有天域半导体和瀚天天成，其已研制成功6英寸碳化硅外延片，且基本实现商业化。国内外在碳化硅外延水平上的技术差距相对较小，均满足3-6英寸各种外延片的生产。此外，国内企业的供应量也在逐年增加，有望成为全球供应商前列。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。}