碳化硅电子器件发展分析Word格式文档下载.docx
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采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型，克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶。
国际上基本上采用PVT法制备碳化硅单晶。
目前能提供4H-SiC晶片的企业主要集中在欧美和日本。
其中Cree产量占全球市场的85%以上，占领着SiC晶体生长及相关器件制作研究的前沿。
目前，Cree的6英寸SiC晶片已经商品化,可以小批量供货。
此外，国内外还有一些初具规模的SiC晶片供应商，年销售量在1万片上下。
Cree生产的SiC晶片有80%以上是自己消化的，用于LED衬底材料，所以Cree是全球唯一一家大量生产SiC基LED器件的公司，这个业务使得它的市场表现突出，公司市盈率长期居于高位。
目前已出现了另一种碳化硅晶体生长方法，即采用高温化学气相沉积方法（HTCVD）。
它是用气态的高纯碳源和硅源，在2200℃左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生长，生长速率一般为0.5～1mm/h左右，略高于PVT法，也有研究机构可做到2mm/h的生长速率。
气态的高纯碳源和硅源比高纯SiC粉末更容易获得，成本更低。
由于气态源几乎没有杂质，因此，如果生长时不加入n型掺杂剂或p型掺杂剂，生长出的4H-SiC就是高纯半绝缘（HPSI）半导体。
HPSI与SI是有区别的，前者载流子浓度3.5×
1013～8×
1015/cm3范围，具有较高的电子迁移率；
后者同时进行n、p补偿，是高阻材料，电阻率很高，一般用于微波器件衬底，不导电。
如果要生长n型掺杂或p型掺杂的4H-SiC也非常好控制，只要分别通入氮或者硼的气态源就可以实现，而且通过控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶体的导电强弱。
目前瑞典的NorstelAB公司采用HTCVD商业化生产碳化硅衬底材料（n型、p型、HPSI型），目前已有4英寸HPSI型4H-SiC衬底出售。
1.2SiC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1层或数层碳化硅薄膜。
这些薄膜具有不同的n、p导电类型，目前主流的方法是通过化学气相沉积方法进行同质外延生长。
碳化硅外延生长方案中，衬底起很大的支配作用，早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，即从晶锭上切割下来的晶片其外延表面法线与晶轴（c轴）夹角θ=0°
，如碳化硅晶片的Si（0001）或C（000）面，外延表面几乎没有台阶，外延生长期望能够由理想的二维成核生长模型控制。
然而实际生长发现，外延结果远未如此理想。
由于碳化硅是一种多型体材料，外延层中容易产生多型体夹杂，比如4H-SiC外延层中存在3C-SiC夹杂，使外延层“不纯”，变成一种混合相结构，极大地影响碳化硅器件的性能，甚至不能用这样的外延材料制备器件。
另外，这样的外延层宏观外延缺陷密度很大，不能用常规的半导体工艺制备器件，即薄膜质量难于达到晶圆级外延水平。
后来发展了偏8°
斜切碳化硅衬底，经过几十年的不断发展完善，现在己经成为碳化硅外延的主要技术方案。
与无偏角衬底比较起来，偏8°
斜切衬底的外延表面有很高的台阶密度，且台面长度很短，一般为十几纳米，反应物容易从台面上迁移到台阶扭折处。
外延时，不必等着扭折沿台面运动到表面边缘，所有的扭折可以同时以相似类的速率运动，直至外延生长结束，这就是所谓的台阶流控制（step-flow）外延生长机制。
虽然在偏8°
斜切衬底上外延时可以利用台阶流进行控制生长，较好地解决了多型体夹杂及相应的宏观缺陷等问题，但是它也有其固有劣势。
Cree在SiC衬底制备方面具有业内领先地位，它的产品是业界的风向标，代表了需求的发展方向。
首先，衬底斜切，在增加外延台阶的同时，也引入了基平面位错，其次，衬底斜切，衬底产率降低，造成了很大的原材料浪费，增加了衬底制备的成本。
当晶圆直径增大时，这个问题变得更加突出。
Cree现在供应的主流衬底片主要是4英寸和6英寸大尺寸晶片，其中4英寸片提供斜切偏角为4°
以及无偏角的，8°
的可以定制；
6英寸片只提供无偏角的，对于相同规格（产品等级、掺杂类型、微管密度等）的衬底片，偏8°
的比偏4°
的贵约1000美元，偏4°
的比无偏角的贵约1200美元，当衬底片用量很大时，这是一个很可观的数目。
因此，从以上分析并结合目前发展趋势来看，大偏角斜切衬底必然是一个过渡方案，在世界各国科技人员的努力下，外延要回归到小偏角斜切衬底方向上来。
现在Cree主推偏角为4°
衬底。
1.3SiC器件工艺
虽然碳化硅器件工艺和设备都与硅器件有很强的兼容性，但也远不是可以原封不动地照搬。
与硅相比，碳化硅器件工艺的温度一般要高得多。
碳化硅晶片较小、易碎、透明、难适应，倒是一些大学实验室比较灵活，而且价格昂贵，大公司的生产线较成为开发碳化硅器件工艺的主力。
掺杂是最基本的器件工艺。
由于一般杂质在碳化硅中的扩散系数跟在Si02中一样低，在适合于对碳化硅进行有效杂质扩散的温度下，Si02已失去了对杂质的掩蔽作用，而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定，因此不宜采用扩散掺杂，而主要靠离子注入和材料制各过程中的伴随掺杂来满足制造碳化硅器件的需要。
在碳化硅材料的气相生长过程中，n型掺杂一般用电子级纯度的氮做掺杂剂，P型掺杂一般使用三甲基铝。
n型离子注入的杂质一般也是氮。
氮离子注入对晶格的损伤比较容易用退火的方式消除。
P型离子注入的杂质一般也是铝。
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。
残留碳如果能形成石墨态碳膜，会对阻止表面继续分解起一定作用。
于是，尺寸与碳比较相当的硼也成为常用的p型注入杂质。
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，而P型离子注入对提高功率MOS的沟道迁移率又十分重要。
栅氧化物与碳化硅之间的界面缺陷对功率MOS的沟道迁移率也有十分重要的影晌，因而栅氛化物的生长或淀积十分关键。
除类似于硅的热氧化之外，碳化硅还可用燃烧法生长栅氧化物，而且这种方法产生的界面态密度较低。
用热氧化法在NO中生长栅氧化物也能降低界面态的密度。
就同样的栅氧化物生长方法而言，6H-SiC比4H-SiC的沟道迁移率要高一些;
而就体材料中的载流子迁移率而言，是4H-SiC比6H-SiC高。
这说明4H-SiC的氧化物界面缺陷问题比较严重。
使用1400℃高温快速退火法，n型和P型4H-SiC的欧姆接触都可以做到单位面积接触电阻低达10-5Ωcm2量级的水平，所用的电极材料分别是Ni和A1。
不过这种接触在400℃C以上的热稳定性较差。
对P型4H-SiC采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃100小时，不过其接触比电阻高达10-3Ωcm2。
采用TaC和AlSi合金电极也可获得类似效果。
6H-SiC比4H-SiC容易获得低阻欧姆接触，其接触比电阻可低达10-6Ωcm2。
在高压硅器件中采用的多数终端技术和钝化技术，比如场板、场环和结终端等也适用与碳化硅器件。
除此而外，在结终端注入大剂量Ar或B，借损伤晶格形成高阻区，起类似于硅功率器件中半绝缘多晶硅（SIPOS）的作用，也有明显效果。
若在Ar、B离子注入后再在600℃退火，器件的反向特性还会进一步改善。
目前SiC功率器件封装工艺及方法通常借鉴SiIGBT封装技术，在DBC布局、芯片键合、高温焊料、硅凝胶填充、密封材料等方面还存在一些问题，针对SiC器件封装特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封装材料及结构方面提出了新的思路，如三菱公司铜针布线技术，塞米控公司低温纳米银烧结技术，富士公司低电感和优化的DBC布局设计。
2.SiC二极管实现产业化
SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。
一般可分为肖特基二极管（Schottky
barrier
diode，
SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（junction
Schottky，
JBS）三种。
在5kV阻断电压以下的范围，碳化硅SBD具有一定的优势，而对于PiN结二极管，由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻，使得它更适合制备4~5kV或者以上电压等级的器件。
JBS
二极管则结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。
另外，把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管（merged
PiN
MPS）。
2001年德国Infineon公司率先推出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。
很多企业在开发肖特基势垒二极管（SBD）和JBS结构二极管。
目前，SiC二极管已经存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。
SiC肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能。
做为单子器件，它的工作过程中没有电荷储存，因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。
更重要的是，和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少，因此提高电路的开关频率。
另外，它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导通，不存在双极型器件的开通延时现象。
在常温下，其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同，但是由于SiC肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。
在二极管单芯片面积和电流受限的情况下，这可以大幅度提高SiC肖特基二极管的容量，使它在较大容量中的应用成为可能。
目前实验室报道的最大容量的SiC二极管已经达到了6500V/1000A的水平。
由于SiC开关管的发展相对二极管滞后，当前更普遍的做法是将SiC二极管和SiIGBT和MOSFET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。
目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。
中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。
SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和TrenchJBS结构。
衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器件浪涌电流能力，减小器件热阻。
Infineon公司于2012年9月发布第五代SiCSBD产品，首次采用衬底减薄技术。
在SiC晶格里，JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制（<
1um），反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特别明显，只有在相邻p阱之间的间距较小时才能突显出来，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应使得正向导通压降显著增加。
为了解决这一问题，新一代SiC肖特基二极管的发展方向是TrenchJBS结构。
Cree公司新一代SiC肖特基二极管同时采用TrenchJBS结构和衬底减薄技术，与传统的JBS二极管相比，正反向特性都得到了改善，不仅增加了电流密度（芯片面积减小50%）；
也提高了阻断电压（提高150V）和雪崩能力。
3.SiCJFET器件的产业化发展
碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是目前发展较快的碳化硅器件之一，并且率先实现了商业化。
与MOSFET器件相比，JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制，同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。
另外，JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。
碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负，即常通型器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通用的驱动电路兼容。
美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构（TIVJFET）的器件工艺，开发出常断工作状态的增强型器件。
但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的，因此常通型（耗尽型）JFET更容易实现更高功率密度和电流能力，而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。
级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来实现。
级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。
级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驱动电路的兼容问题。
目前，碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化，主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。
产品电压等级在1200V、1700V，单管电流等级最高可以达20A，模块的电流等级可以达到100A以上。
2011年，田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块，该模块采用1200V/25A的SiCJFET并联，反并联二极管为SiCSBD。
2011年，GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究，该模块峰值功率为50kW（该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、10kW，比起Si模块效率更高。
2013年Rockwell公司采用600V/5AMOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块，并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较：
在同等功率等级下（25A/600V），面积减少到60%，该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。
4.SiCMOSFET器件实用化取得突破
碳化硅MOSFET一直是最受瞩目的碳化硅开关管，它不仅具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，而且其驱动电路非常简单，并与现有的电力电子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路的兼容性是碳化硅器件中最好的。
SiCMOSFET器件长期面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。
其中沟道电阻大导致导通时的损耗大，为减少导通损耗而降低导通电阻和提高栅氧层的可靠性的研发一直在进行。
降低导通电阻的方法之一是提高反型沟道的载流子迁移率，减小沟道电阻。
为了提高碳化硅MOSFET栅氧层的质量，降低表面缺陷浓度，提高载流子数量和迁移率，一种最通用的办法是实现生长界面的氮注入，也被称为界面钝化，即在栅氧层生长过程结束后，在富氮的环境中进行高温退火，这样可以实现沟道载流子迁移率的提高，从而减小沟道电阻，减小导通损耗。
降低导通电阻的方法之二是采用在栅极正下方开掘沟槽的沟槽型栅极结构。
目前已经投产的SiCMOSFET都是“平面型”。
平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，容易导致JFET电阻增大的问题，导通电阻的降低方面存在一定的局限性。
而沟槽型在构造上不存在JFET电阻。
因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻，但是Si沟槽型MOSFET目前尚未解决沟槽刻蚀之后侧壁沟道的表面问题。
美国Cree和日本Rohm公司已经能提供业界领先的碳化硅的MOSFET器件。
美国已经将碳化硅MOSFET器件应用于开发2.7MVA的固态功率变电站，该固态功率变电站可能将被应用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电系统中。
采用全碳化硅功率模块，可以使传统的低频（60Hz）变压器转变为高频（20kHz）固态功率变电站，预计使变压器的重量由6吨降低到1.7吨，体积从10立方米降低到2.7立方米，大大提高舰船系统的性能。
2012年，日本三菱电机通过使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二极管，研发出一个达11kW逆变器，它比基于硅器件制造的逆变器，降低能源损耗达七成，输出功率为10W/cm3。
日本三菱电机报道了使用强制风冷的三相400V输出全碳化硅逆变器，采用了碳化硅JFET和碳化硅肖特基势垒二极管，这套装置的功率密度达到了50kVA/升，远高于传统的硅基装置。
2013年3月美国Cree发布第2代SiCMOSFET。
与第1代产品相比，通过缩小芯片面积等手段压缩了成本。
以耐压为1.2kV的品种为例，第2代芯片面积比第1代缩小了约40%。
5.SiCIGBT器件
由于受到工艺技术的制约，碳化硅IGBT的起步较晚，高压碳化硅IGBT面临两个挑战：
第一个挑战与碳化硅MOSFET器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；
第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。
因此，1999年制成的第一个IGBT采用了P型衬底。
经过多年的研发，逐步克服了P型衬底的电阻问题，2008年报道了13kV的N沟道碳化硅IGBT器件，比导通电阻达到22mΩ×
cm2。
有报道对15kV的N-IGBT和MOSFET的正向导通能力做了一个比较，结果显示，在结温为室温时，在芯片功耗密度为200W/cm2以下的条件下，MOSFET可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT可以获得更大的电流密度。
在结温为127º
C时，IGBT在功耗密度为50W/cm2以上的条件下就能够导通比MOSFET更高的电流密度。
同一年，该团队还报道了阻断电压达到12kV的P沟道碳化硅IGBT，导通比电阻降到了14mΩ×
cm2，体现了明显的电导调制能力。
2012年，Cree公司Sei-HyungRyu等人制成6.7mm×
6.7mm，有源区面积为0.16cm2的4H—SiCp-IGBT，正向击穿电压15kV，在室温栅压一20V条件下，比导通电阻为24mΩ×
2014年，TadayoshiDeguchi等人制成了击穿电压为13kV，当测试温度为523K时，栅压一20V时微分比导通电阻为33mΩ×
cm2的平面栅P—IGBT。
碳化硅IGBT器件的优势应用范围为10kV以上的高压领域。
在这一领域中，碳化硅MOSFET器件会面临通态电阻过高的问题，但是在10kV以下的应用中，碳化硅IGBT相对于碳化硅MOSFET的优势并不十分明显。
在15kV以上的应用领域，碳化硅IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压电力系统应用领域。
新型高温高压碳化硅IGBT器件将对大功率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。
可以预见的是，高压碳化硅IGBT器件将和PiN二极管器件一起，成为下一代智能电网技术中电力电子技术最核心的器件。
6.SiC功率双极器件
用碳化硅可以制造阻断电压很高的双极器件，譬如高压PiN二极管和晶闸管等。
随着碳化硅器件研发热潮的掀起，也引起了一些研究者对开发碳化硅BTJ的兴趣，SiCBJT毕竟不像SiCMOSFET那样会遇到氧化层品质严重影响器件特性的问题，开发SiCBJT的主要问题是提高电流增益。
而碳化硅晶闸管在兼顾开关频率、功率处置能力和高温特性方面最能发挥碳化硅的材料特长，与碳化硅功率MOSFET相比，对3000V以上的阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，因而特别适合于交流开关方面的应用。
对于直流开关方面的应用，则是碳化硅GTO（门极可关断晶闸管）之所长。
碳化硅门级换晶闸管（SiCGT）的研发也受到关注。
2006年有研究报道了面积为8mm*8mm的SiCGT芯片，导通峰值电流高达200A。
2010年报道了单芯片脉冲电流达2000A的SiCGT器件。
7.SiC功率模块
碳化硅功率模块是全球电力电子器件大型企业目前重点的发展方向。
碳化硅功率模块已经在一些高端领域实现了初步应用，包括高功率密度电能转换、高性能电机驱动等等，并具有广阔的应用前景和市场潜力。
在碳化硅功率模块领域，首先开始研发的是基于碳化硅功率二极管和硅基IGBT的混合功率模块。
第一个实现商用的采用碳化硅二极管和硅基IGBT的高功率模块是Infineon公司的PrimePACK产品。
随着碳化硅器件的进步，全碳化硅功率模块不断被研发出来。
美国Cree公司报道了阻断电压10kV，电流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通过并联模块得到100A的电流传输能力。
2009年美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1200V、100A的碳化硅功率模块，该模块由耐高压和大电流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二极管组成。
2011年，美国U.S.ArmyResearchLaboratory研发了用20个80A的SiCMOSFET以及20个50ASiC肖特基二极管制作了一个1200V/800A的双向功率模块。
该模块用作全桥逆变并与Si器件比较实验，结果表明功率损耗至少降低40%，在同样输出电流等级情况下SiC的模块可以工作在Si模块的4倍频状态。
该模块预计用于电动汽车领域。
2012年，日本富士电机公司研发基于SiCMOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模块。
该模块采用新型无焊线设计、氮化硅陶瓷作衬底制作，可以在200°
C高温工作作，并且类似倒装芯片的压接式设计使得该模块与起传统的铝线键合模块相比具有内电感低的特点，同时损耗更低，与传统同功率IGBT模块相比具有更紧凑的结构，大小约为原先的1/2。
2012年日本罗姆公司开始推出全碳化硅功率模块，2013年，美国的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化硅模块。
这些全碳化硅功率模块组合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二极管，利用高速开关及低损耗的特性，可替换原来额定电流为200～400A的硅基IGBT模块。
因器件散热性提高，使得装置的体积缩小了一半，并且发热量小，可缩小冷却装置，实现装置的小型化，同时可以将电力转换时的损耗削减85%以上，大幅削减工业设备的电力损耗。
全碳化硅MOSFET（或JFET）模块的优良特性使它具备在10kV以下的应用中取代硅基IGBT的巨大潜力，取代的速度和范围将取决于碳化硅材料和器件技术的成熟速度和成本下降的速度。
8.国内的发展现状
由于受限于SiC单晶材料和外延设备，国内在SiC功率器件方面的实验研
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