SiC外延行业动态.docx

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SiC外延行业动态

SiC同质外延行业动态

一、行业概述

半导体技术与人们的生活息息相关，它在提高人们生活水平的同时，深刻地影响了当代人的方方面面。

作为半导体技术的一个重要分支，半导体材料对半导体技术的发展有着举足轻重的作用，它的每一次发展都会推动半导体器件和集成电路性能的较大进步。

为了进一步提高半导体技术，我们需要坚持不懈地研究半导体材料。

现在，使用半导体材料Si、Ge制造器件的技术比较成熟，应用的范围相当广泛。

然而，随着电路系统工作环境的复杂化，我们对电子器件的性能要求也更加严格，硅材料已不能满足要求。

所以第二代半导体材料GaAs等应运而生，在一定程度范围满足了现代技术应用的要求。

在此之后，又研究出第三代宽带隙（Eg>2.3eV）半导体材料。

第三代半导体材料凭借其优越的综合性能脱颖而出，其中具有代表性的是SiC和GaN。

Si器件作为当今世界的主流，日益表现出局限性，其带隙宽度较小，高温下不能正常工作，在高温、高频、大功率及强辐射条件下性能捉襟见肘。

Si器件的最高耐温只有150℃，而SiC器件的耐温可达600℃，而且热导率高，有利于器件良好地散热，使器件发挥更好的性能，由于散热良好，器件和集成电路的体积可以做的更小。

SiC器件和Si器件相比，耐压范围也更高，如图1.1所示。

第三代半导体材料的性质见表1.1，所以在耐腐蚀等环境下，有着巨大的应用价值。

电力电子领域是SiC材料应用的典型领域。

图1.1Si和SiC器件耐压值范围

在航空航天或军事领域，系统的工作条件极其恶劣。

从80年代末起，SiC材料与器件的飞速发展。

由于SiC材料种类很多，性质各异，它的应用范围十分广泛。

在大功率器件方面，利用SiC材料可以制作的器件，其电流特性、电压特性、和高频特性等具有比Si材料更好的性质。

在高频器件方面，SiC高频器件输出功率更高，且耐高温和耐辐射辐射特性更好，可用于通信电子系统等。

在光电器件方面，利用SiC不影响红外辐射的性质，可将其用在紫外探测器上，在350℃的温度检测红外背景下的紫外信号，功率利用率80%左右。

在耐辐射方面，一些SiC器件辐射环境恶劣的条件下使用如核反应堆中应用。

高温应用方面，利用SiC材料制备的器件工作温度相当地高，如SiCMOSFET和SiC肖特基二极管可在900k下工作。

从世界范围来看，高功率器件是最有可能实现的，应用潜力也最大，如图1.2所示。

SiC作为二元化合物半导体，属于Ⅳ族元素中唯一的固态化合物。

它Si-C健的能量很稳定，这也是SiC在各种极端环境下仍能稳定的原因。

SiC的原子化学能高达1250KJ/mol；德拜温度达到1200-1430K，摩尔硬度达到9级，仅比金刚石摩尔硬度低些；导热性良好，达5W/cm.K,比其他半导体材料好很多。

SiC有多种同质多型体，不同的同质多型体有不同的应用范围。

典型的有3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，它们各有不同的应用范围。

其中，3C-SiC是唯一具有闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，再加上有高热导率和高临界击穿电场，非常适合于制造高温大功率的高速器件；6H-SiC具有宽的带隙，在高温电子、光电子和抗辐射电子等方面有使用价值，使用6H-SiC制造的高频大功率器件，工作温度高，功率密度有极大的提升；而4H-SiC具有比6H-SiC更宽的带隙和较高的电子迁移率，是大功率器件材料的最优选择。

由于SiC器件在国防和民用领域不可替代的地位，世界上很多国家对SiC半导体材料和器件的研究都很重视。

美国的国防宽禁带半导体计划、欧洲的ESCAPEE计划和日本的国家硬电子计划等，纷纷对SiC半导体材料晶体制备和外延及器件投入巨资进行研究。

SiC电子器件是微电子器件领域的研究热点之一。

SiC材料的击穿电场有4MV/cm，很适合于制造高压功率器件的有源层。

而由于SiC衬底存在缺陷等原因，将它直接用于器件制造时，性能不好。

SiC衬底经过外延之后，其表面缺陷减少，晶格排列整齐，表面形貌良好，比衬底大为改观，此时将其用于制造器件可以提高器件的性能。

为了提高击穿电压，厚的外延层、好的表面形貌和较低的掺杂浓度是必需的。

一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过50μm,掺杂浓度小于2×1015cm-3,载流子寿命大过1us。

对于高反压大功率器件，需要要在4H-SiC衬底上外延一层很厚的、低掺杂浓度的外延层。

为了制作10KW的大功率器件，外延层厚度要达到100μm以上。

高压、大电流、高可靠性SiC电子器件的不断发展对SiC外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通过进一步深入的研究提高厚外延生长技术。

电子迁移率με和空穴迁移率μp表示单位电场下载流子的漂移速度，对器件而言，这是决定性的重要参数，影响到器件的微波器件跨导、FET的输出增益、功率FET的导通电阻和其它参数。

本征载流子浓度（ni）与导带和介带的状态密度Nc和Nv成比例。

然而，由于晶格热膨胀和电子质子耦合的结果，像带隙Eg那样，也与温度有关。

本征载流子浓度在高温器件应用中是一个很重要的参数，因为器件中pn结漏电流通常与ni或ni2成正比。

电子和空穴的传输特性是重要的材料参数，它们由载流子速度-电场（υ−E）特性描述。

υ−E特性通常用载流子迁移率及饱和漂移速度描述。

速度达到饱和时的电场值表征载流子速度被加速到达饱和值的快慢。

此外，SiC物质在扩散渗透时有低的渗透度。

电荷载流子寿命较短，但是寿命和扩散长度随温度的升高而增大。

二、行业动态

2.1国内外现状

SiC是最早发现的半导体材料之一。

早在1824年，瑞典科学家Berzelius在试图合成金刚石时偶然发现了SiC，首次揭示了C-Si键存在的可能性。

直到1885年，Acheson才第一次使用焦炭与硅石混合在电熔炉中高温加热获得SiC单晶。

但得到的SiC杂质浓度较高，结晶完整性较差，同时SiC的结晶形态繁多，根本无法用于制造电子器件。

1955年，荷兰飞利浦研究室的Lely首次在实验室中用升华气体再结晶的方法制成杂质数量和种类可控制的、具有足够尺寸的SiC单晶，由此奠定了碳化硅的发展基础。

在此基础上，前苏联科学家Tariov和Tsvetkov等人于1978年提出利用籽晶升华法（seededsublimationmethod）生长SiC单晶，即所谓“改进的Lely法”（modifiedLelymethod）或物理气相传输法（physicalvaportransport，PVT），从根本上克服了液相生长SiC比较困难这一障碍。

1987年，专门从事SiC半导体研究工作的Cree公司成立，并于1994年制备出4H-SiC晶片。

随后，SiC器件的制造工艺，如离子注入、氧化、刻蚀、金属．半导体接触等取得了重大进展，从而掀起了SiC材料、器件及相关技术研究的热潮，并取得了突飞猛进的发展。

就SiC单晶生长来讲，美国Cree公司由于其研究领先，主宰着全球SiC市场，几乎85％以上的SiC衬底由Cree公司提供。

此外，俄罗斯、日本和欧盟（以瑞典和德国为首）的一些公司和科研机构也在生产SiC衬底和外延片，并且已经实现商品化。

在过去的几年中，SiC晶片的质量和尺寸稳步提高，1998年秋，2英寸直径的4H-SiC晶片已经在投入市场。

1999年直径增大到3英寸，微管（micropipe）密度下降到10／cm2左右，这些进展使得超过毫米尺寸的器件制造成为可能。

从2005年下半年，微管密度小于l／cm2的3英寸6H和4H-SiC晶片成为商用SiC材料的主流产品。

2007年5月23日，Cree公司宣布在SiC技术开发上又出现了一座新的里程碑一英寸（100mm）零微管（ZMP）n型SiC衬底。

同时，螺旋位错（screwdislocation）密度被降低到几百个／cm2。

虽然螺旋位错对器件性能的影响不如微管那么大，但还是会影响到击穿场强、少数载流子寿命等材料性能。

SiC单晶材料取得的突破进展，不断推进着SiC器件的研究和发展，大部分常规的SiC单极、双极、二端和三端器件都取得了很好的进展。

拥有高温、高频特性，击穿电压几千伏、电流几十安培的肖特基二极管已开发成功，300W10、20A，600V／2～12A、20A和1．2kV／10、20A的二极管已经实现商品化。

SiCMESFET及JFET等高频大功率器件成为近几年SiC器件的一个研究热点。

SiC结型场效应晶体管（JunctionFieldEfieetTransistor）由于在高压、大功率的优越特性，在汽车电子、DC．DC转换器等领域具有很好的应用前景。

2003年，JianH．Zhao等人研制了凹沟和注入的4H-SiCVJFET[L341。

其性能指标为在VC=-9V时，阻断电压为1710V，且RON_sp轴为2.77mOcm2，品质因子（FigureofMerit）VB2／RON_sp=1056MW／cm2。

2007年，RongxiZhang等人报道了便于集成的4H-SiC横向RESURFJFET，其性能指标为阻断电压为1000V，比开态电阻RON_sp为9．1mO·cm2，VB2／RON_sp=1056MW／cm2。

YongxiZhang等人还研制了垂直沟道横向结的RESURFJFET，比开态电阻RON_sp即为9.1mO·cm2，VB2／RON_sp=116MW／cm2；SiC双极晶体管（BipolarJuentionTransistor）具有很好的大电流放大能力，而且能够在射频领域工作，成为最近SiC器件研究的热点之一。

2006年，JianHuiZhang等人研制了12μmP漂移层的SiCBJT，器件性能为：

创记录的比开态电阻为RON_sp为2.9mO·cm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为757V，电流增益为18.8。

2008年JianHuiZhang等人研制了高发射极电流增益SiCBJT，器件性能为：

比开态电阻为RON_sp为3.0mO·cm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为1750V，电流增益高达70，显示了SiCBJT的良好发展态势；2008年，RobertS．Howell等人报道了芯片面积0.43cm2，有源区面积O．15cm2，击穿电压为10kV的DMOSFET，在栅电场为3MV／cm时的IDS=8A，而VGs=0v时的亚阂值电流从25℃的1μA降到200℃的0.4μA。

目前SiCMOSFET的主要技术挑战在于沟道迁移率的提高和氧化层可靠性的改善；SiCMESFET作为工作在UHF-X波段频率范围内的功率晶体管进入了成熟期，Cree公司于2005年报道单片4H-SiCMESFET的微波大功率产品，工作频率3GHz，40-50V电压，连续波输出功率80W，增益大于7.6dB，功率附加效率38％，脉冲输出功率120W。

此外，Cree公司采用4个晶体管制成输出功率为400W的功率放大器。

最近，NorthropGrumlilanCo．制成大功率4H．SiCMESFET在周长为1.92mm，栅长为0.5pm，10GHz下，输出功率为6W，相应的增益、漏效率和功率附加效率分别为5.1db、52％和34．6％。

美国Purdue大学制成的亚微米T型栅SiCMESFET的饱和漏电流为350mA／mm，跨导为20ms／mm，漏击穿电压为120V，0.5μm的T型栅的最大RF功率密度为3.2W／mm。

SiC基的静态感应晶体管（StaticInducedTransistor）、紫外探测器、PiN二极管、肖特基二极管（SBD）等器件都是具有较好性能和应用潜力。

在4H-SiC材料和器件发展方面，美国处于国际领先地位，已经从探索性研究阶段向大规模研究和应用阶段过渡。

CREE公司已经生产出4英寸（100mm）零微管（ZMP）n型SiC衬底。

同时，螺旋位错（screwdislocation）密度被降低到几十个／cm2。

商用水平最高的器件：

4H-SiCMESFET在S-波段连续波工作60W（1.5GHz，ldB压缩），漏效率45％（1.5GHz，POUT=PldB），工作频率至2.7GHz。

近期CREE公司生产的CRF35010性能达到：

工作电压48V，输出功率10W，工作频率3.4-3.8GHz，线性增益10dB；美国正在逐步将这种器件装备在军用武器上，如固态相控阵雷达系统、军事通讯电子系统、高频电源系统、电子战系统——干扰和威胁信号预警等。

其中Cree公司的SiCMESFET功率管已经正式装备美国海军的新一代预警机E2D样机。

近期俄罗斯、欧洲和日本加快发展，SiC材料生长和器件制造技术也在不断走向成熟。

国内西安电子科技大学、山东大学、中电科技集团13所、55所和46所、中国科学院物理研究所以及其它高等院校和研究所有关单位对九十年代初国际上宽禁带半导体的进展给予高度关注，在碳化硅材料生长和器件研制方面取得了一定的成绩。

西安电子科技大学、电子13所和55所在十一五期间开展了对4H-SiC材料和器件的理论模拟和实验研究，制备出了第一批外延和电子器件，实现了从无到有。

在4H-SiC外延材料方面，国外的水平是位错密度小于102cm-2，无微管，迁移率1000-1200cm2／V．s（1015／cm3），掺杂浓度5×1012～1×1020／cm3，达到了实用化的目的。

而国内在SiC外延方面刚刚开展工作，与国外先进水平有着较大的差距。

五十五所的李哲洋等人利用CVD法进行外延生长实验，并对外延材料的缺陷进行了观察，他们观察到了空洞，微管，微错和孪晶，并且对这些缺陷的形成机理进行了分析。

中科院半导体研究所材料中心和兰州大学物理学院曾在2004年和2005年发表过文章，报道他们的实验结果，外延层的非有意掺杂约为1016cm-3，而国外普遍的非有意掺杂浓度约为1014cm-3，最好的非有意掺杂为浓度5x1012cm-3。

而且，他们实验中外延层的生长速度刚超过3μm／h，这个数值还是比较低的。

同时对材料生长及材料本身的物理特性也缺乏系统研究和认识。

2.2发展趋势

半导体在电动车中的作用更强

　　动力电池的成本通常约占整车成本的50%。

在汽车使用一段时间后，电池组中每个单体电池的老化会使电池容量出现变化。

控制着电池充电状态（SoC）、健康状况（SoH）和放电深度（DoD）的电池管理系统（BMS）可延长电池的寿命和储电量。

英飞凌的主动电池均衡技术可将这些特性提高10%。

在充电方面，未来的长期发展趋势是双向充电，即汽车中的电能也可传回智能电网。

具体地，电能在BMS监控后，通过DC/DC转换器、PFC及射频干扰滤波器，传给智能电网。

英飞凌车厂业务拓展经理曹洪宇称，日产纯电动车Leaf的充电设计就考虑到了这点，由于日本地震频繁，电池组可在地震发生后将电能传回电网，以缓解供电紧缺的压力。

除行驶动力外，电动汽车的另一重要耗电因素是空调和电动助力转向系统。

因此，需优化高压电池辅助系统的电源效率。

Graovac表示，英飞凌与30家欧洲厂商和学术研究机构合作发起了E3Car（高能效电动汽车）研究项目，旨在开发使能效基准提升35%的技术。

SiCJFET将在2015年底出现

  在EV和HEV的逆变器和充电器中，高功率密度、高压、大电流的IGBT功率模块可为混合系统的电机提供电能。

目前英飞凌HybridPACK系列功率模块在650V高压下，提供200A、400A、600A和800A的大电流。

构成IGBT的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元很薄，只有40μm（见图2.1），这样可降低开关损耗，并将导通阻抗降低8倍。

12英寸晶圆的产量是6英寸的4倍。

Graovac表示：

“随着开关频率的提高，SiC材料的功率半导体器件肯定会到来。

这种器件的特点是：

高效、快速、高温能力强、可靠性高，高压能达2500V。

SiCJFET可能在2015年底出现，可进一步提高逆变器的效率。

”SiC物理特性与SiCJFET结构如图2.2所示。

图2.1构成IGBT的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元示意图

图2.2SiC物理特性与SiCJFET结构示意图

在EV和HEV应用方面，对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LVDC/DC转换器和AC/DC充电器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案如图2.3所示。

对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器，基于IGBT和SiC的解决方案如图2.4所示。

图2.3对开关频率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LVDC/DC转换器和AC/DC充电器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解决方案图2.4对高压、大电流逆变器及开关频率在10kHz以上的高功率DC/DC转换器，基于IGBT和SiC的解决方案　　

　　图2.5英飞凌.XT工艺与标准工艺的比较

此外，为了把器件结温提高到200℃，英飞凌采用了.XT工艺（见图2.5），更高的热性能提高了输出功率，延长了使用寿命，降低了硅及系统成本。

与标准工艺相比，200℃结温在器件寿命相同的情况下，可将单位硅面积的输出功率提升60%；在输出功率相同的情况下，可将单位硅面积的寿命延长5倍；在寿命和输出功率相同的情况下，可将硅面积减少40%；更高温度的冷却液能力可不再使用低温散热器。

最后说一句关于TPMS（胎压监控系统）的题外话。

据英飞凌工程师在研讨会上介绍，2007年9月，美国TPMS的装配率已达到100%。

欧洲要求在2014年11月，所有的新车需装配TPMS。

日本预计在2016年实现100%的装配率。

而中国仅在2011年7月实施了TPMS推荐标准，笔者认为这远远不够。

中国汽车销售量已达全球首位，如此多的车辆中，每年都会发生大量因爆胎引发的重大交通事故。

而爆胎一旦发生，车辆极易失控，多是车毁人亡的严重后果。

所以有必要在国内加快TPMS的强制性要求，提高安装率，保证驾乘者的生命安全。

目前，很多领域都将Si二极管、MOSFET及IGBT（绝缘栅双极晶体管）等晶体管用作功率元件，比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。

这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被GaN和SiC所替代。

例如，SiC已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

电能损失可降低50％以上

利用以GaN和SiC为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。

比如，逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件，仅将二极管材料由Si换成SiC，逆变器的电能损失就可以降低15～30％左右，如果晶体管材料也换成SiC，则电能损失可降低一半以上。

有助于产品实现小型化

电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。

利用GaN和SiC制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性：

可进行高速开关动作和耐热性较高。

GaN和SiC功率元件能以Si功率元件数倍的速度进行开关。

开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

耐热性方面，Si功率元件在200℃就达到了极限，而GaN和SiC功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

这些优点源于GaN和SiC具备的物理特性。

与Si相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

SiC二极管率先实用化

在GaN和SiC功率元件中，率先产品化的是SiC。

尤其是SiC二极管的利用今后似会迅猛增加。

除了2001年最初实现SiC二极管产品化的德国英飞凌科技外，美国科锐和意法合资公司意法半导体等厂商也已经推出了产品。

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），科锐等部分企业还推出了组合肖特基结和pn结的“JBS（junctionbarrierschottky）构造”二极管。

基板供求情况好转

从事SiC二极管的企业之所以增加，是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供应状况有了好转。

比如，结晶缺陷减少使得SiC基板质量提高，而且基板的大口径化也有了进展。

口径为4英寸的产品正逐渐成为主流。

2012年还开始样品供货6英寸产品，2013年似将有望开始量产。

另外，基板厂商的增加引发了价格竞争，基板比以前便宜了。

从事外延基板（层叠外延层）厂商的增加也降低了涉足SiC二极管业务的门槛。

除了SiC基板的供应状况好转外，功率Si二极管“与Si晶体管相比，性能提高的余地比较小”（熟知功率元件的技术人员），这也促使用户使用SiC二极管。

有观点认为，Si二极管虽然构造简单，但相应地“性能的提高在日益接近极限，用SiC来取代Si的趋势今后可能会增加”（上述技术人员）。

SiC制MOSFET的普及将从沟道型产品开始

功率元件用SiC晶体管虽已开始投产，但普及程度还不如二极管，还停留在极少数的特殊用途。

这是由于SiC晶体管的制造工艺比二极管复杂，成品率低，因而价格高。

并且，虽然速度在减缓，但Si晶体管的性能却一直仍在提高。

与二极管相比，“还有很大的发展空间”（技术人员）。

就是说，目前可以方便地使用低价位高性能的Si晶体管。

因此，在不断降低SiC晶体管成本的同时，发挥SiC的出色材料特性，追求Si无法实现的性能，此类研发正在加速推进。

SiC晶体管主要有MOSFET、JFET以及BJT三种。

其中，最先投产的是JFET。

　　JFET虽然可以降低功率损失，但基本上处于“常闭（NormallyOn）工作”状态（导通状态），即使不加载栅极电压也会工作。

一般情况下，在大功率的电源电路上，多希望实现不加载栅极电压就不会驱动的“常开状态”。

JFET也有可以实现常开工作的产品。

然而，MOSFET因在原理上易于实现常开工作，因此很多企业都在致力于研发MOSFET。

科锐（Cree）和罗姆已经投产了MOSFET。

但还称不上是广泛普及。

原因除了价格高外，还没有完全发挥出SiC的出色材料特性。

其中导通时的损失大，为减少导通损失而降低导通电阻的研发正在进行。

降低导通电阻的方法是采用在栅极正下方开掘沟道。

目前已经投产的SiC制MOSFET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，JFET电阻会增大，导通电阻的降低存在局限性。

而沟道型在构造上不存在JFET电阻。

因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻。

虽然沟道型可以降低导通电阻，但由于要在栅极正下方挖掘沟道，因此量产程度难于平面型。

所以尚未投产。

最早估计2013年罗姆等的产品将面世。

GaN类功率元件可通过使用硅基板降低成本

GaN在LED及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化，而功率元件用途的产品化才刚刚开始，落后于SiC。

但这种情况也在变化。

那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。

GaN类功率元件之所以能够降低成本，是因为可利用价格低而口径大的硅基板。

采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口径产品。

比如，美国EPC公司及美国IR就使用硅基板，通过形成外延层而推出了GaN类功率元件产品。

对运行时导通电阻会上升的“电流崩塌”现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。

以耐压为例，尽管产品一般低于200V，但也有超过了1kV的研发品。

目前，投产GaN类功率元件的企业还很少，但预计从2012年会开始逐渐增加。

而且，2015年前后，结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6英寸的GaN基板很可能会面世。

如果在GaN基板上形成GaN类功率元件，便可比使用硅基板等不同