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第三代半導(dǎo)體未來之星——碳化硅

發(fā)布時(shí)間:2022-05-30發(fā)布人:

第三代半導(dǎo)體未來之星——碳化硅



                              一、碳化硅晶體結(jié)構(gòu)





碳化硅(SiC)由碳(C)原子和硅(Si)原子組成,密度是3.2g/cm3,天然碳化硅非常罕見,主要通過人工合成。其晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型體的特點(diǎn),在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常見的是具有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的3C-SiC和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC和6H-SiC。



                                             二、碳化硅基本性質(zhì)

碳化硅硬度在20℃時(shí)高達(dá)莫氏9.2-9.3,是最硬的物質(zhì)之一,可以用于切割紅寶石;

導(dǎo)熱率超過金屬銅,是Si的3倍、GaAs的8-10倍,且其熱穩(wěn)定性高,在常壓下不可能被熔化;
碳化硅具有寬禁帶、耐擊穿的特點(diǎn),其禁帶寬度是Si的3倍,擊穿電場(chǎng)為Si的10倍。

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                                                         4H-SiC和6H-SiC的材料參數(shù)



                                                                                    三、碳化硅材料的發(fā)展歷程

1824年,當(dāng)時(shí)的瑞典科學(xué)家Berzelius在人工合成金剛石的實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)了碳化硅這一物質(zhì)。但因?yàn)樘蓟柙谧匀唤绱媪繕O少,沒能引起足夠的關(guān)注。

1885年,另一位化學(xué)家Acheson在石英砂與碳的混合加熱過程中,高溫生成了SiC晶體,這也是人類歷史上首次制備純凈的碳化硅。

1959年,一位荷蘭科學(xué)家提出了一種通過升華的方式讓單晶體生長(zhǎng)的方法,隨后又在1978年被俄羅斯科學(xué)家進(jìn)行了改良和優(yōu)化。

1979年,以碳化硅為主要材料的藍(lán)色發(fā)光二極管被發(fā)明了出來。
直到現(xiàn)在,在后續(xù)的研發(fā)和應(yīng)用過程中,碳化硅以各種形態(tài)和應(yīng)用方式在電子信息存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)通訊等相關(guān)行業(yè)內(nèi)發(fā)揮了巨大的作用,憑借其穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料特質(zhì),在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域獲得了極大的發(fā)展空間。



四、碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)


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                                                              碳化硅晶體材料應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)



                                                              五、碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈


碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈主要包括“碳化硅高純粉料→單晶襯底→外延片→功率器件→模塊封裝→終端應(yīng)用”等環(huán)節(jié)。

1.碳化硅高純粉料

碳化硅高純粉料是采用PVT法生長(zhǎng)碳化硅單晶的原料,其產(chǎn)品純度直接影響碳化硅單晶的生長(zhǎng)質(zhì)量以及電學(xué)性能。

碳化硅粉料有多種合成方式,主要有固相法、液相法和氣相法3種。其中,固相法包括碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機(jī)械粉碎法;液相法包括溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法;氣相法包括化學(xué)氣相沉積法、等離子體法和激光誘導(dǎo)法等。

2.單晶襯底

單晶襯底是半導(dǎo)體的支撐材料、導(dǎo)電材料和外延生長(zhǎng)基片。生產(chǎn)碳化硅單晶襯底的關(guān)鍵步驟是單晶的生長(zhǎng),也是碳化硅半導(dǎo)體材料應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn),是產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)密集型和資金密集型的環(huán)節(jié)。目前,SiC單晶生長(zhǎng)方法有物理氣相傳輸法(PVT法)、液相法(LPE法)、高溫化學(xué)氣相沉積法(HT-CVD法)等。

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                                    碳化硅單晶生長(zhǎng)方法對(duì)比表

3.外延片

碳化硅外延片,是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶薄膜(外延層)的碳化硅片。實(shí)際應(yīng)用中,寬禁帶半導(dǎo)體器件幾乎都做在外延層上,碳化硅晶片本身只作為襯底,包括GaN外延層的襯底。

目前,碳化硅單晶襯底上的SiC薄膜制備主要有化學(xué)氣相淀積法(CVD)、液相法(LPE)、升華法、濺射法、MBE法等多種方法。其中,CVD法是制備高質(zhì)量碳化硅晶體薄膜材料與器件的主要方法。

4.功率器件

采用碳化硅材料制造的寬禁帶功率器件,具有耐高溫、高頻、高效的特性。

按照器件工作形式,SiC功率器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。SiC功率器件與硅基功率器件一樣,均采用微電子工藝加工而成。

從碳化硅晶體材料來看,4H-SiC和6H-SiC在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用最廣,其中4H-SiC主要用于制備高頻、高溫、大功率器件,而6H-SiC主要用于生產(chǎn)光電子領(lǐng)域的功率器件。

5.模塊封裝

模塊封裝可以優(yōu)化碳化硅功率器件使用過程中的性能和可靠性,可靈活地將功率器件與不同的應(yīng)用方案結(jié)合。

目前,量產(chǎn)階段的相關(guān)功率器件封裝類型基本沿用了硅功率器件。碳化硅二極管的常用封裝類型以TO220為主,碳化硅MOSFET的常用封裝類型以TO247-3為主,少數(shù)采用TO247-4、D2PAK等新型封裝方式。

6.終端應(yīng)用

碳化硅器件具有體積小、功率大、頻率高、能耗低、損耗小、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前主要應(yīng)用領(lǐng)域:各類電源及服務(wù)器,光伏逆變器,風(fēng)電逆變器,新能源汽車的車載充電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流充電樁,變頻空調(diào),軌道交通,軍工等。


                                                 六、碳化硅寬禁帶半導(dǎo)體目前存在的問題


1. 大尺寸SiC單晶襯底制備技術(shù)仍不成熟。


目前國(guó)際上已經(jīng)開發(fā)出了8英寸SiC單晶樣品,單晶襯底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。并且缺乏更高效的SiC單晶襯底加工技術(shù);p型襯底技術(shù)的研發(fā)較為滯后。


2.n型SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)有待進(jìn)一步提高。


3.SiC功率器件的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)尚未完全形成,尚不能撼動(dòng)目前硅功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)上的主體地位。


國(guó)際SiC器件領(lǐng)域:SiC功率器件向大容量方向發(fā)展受限制;SiC器件工藝技術(shù)水平比較低;缺乏統(tǒng)一的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。



中國(guó)SiC功率器件領(lǐng)域存在以下3個(gè)方面差距:

(1)在SiCMOSFET器件方面的研發(fā)進(jìn)展緩慢,只有少數(shù)單位具備獨(dú)立的研發(fā)能力,產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。


(2)SiC芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國(guó)外公司所壟斷,特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長(zhǎng)設(shè)備等,國(guó)內(nèi)大規(guī)模建立SiC工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進(jìn)口。

(3)SiC器件高端檢測(cè)設(shè)備被國(guó)外所壟斷。


4.目前SiC功率模塊存在的主要問題


(1)采用多芯片并聯(lián)的SiC功率模塊,會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的電磁干擾和額外損耗,無法發(fā)揮SiC器件的優(yōu)良性能;SiC功率模塊雜散參數(shù)較大,可靠性不高。


(2)SiC功率高溫封裝技術(shù)發(fā)展滯后。


5.SiC功率器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚不成熟。


6.SiC器件的應(yīng)用模型尚不能全面反映SiC器件的物理特性。一般只適合于對(duì)精度要求較低的常規(guī)工業(yè)場(chǎng)合。



                                             七、SiC器件在各行各業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)


電源/大型服務(wù)器:用于電源及功率因數(shù)校正器內(nèi)部,減積減重、提高效率、降低損耗。


光伏:用于光伏逆變器中,光伏發(fā)電產(chǎn)生的電流為直流電,需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。采用SiC功率器件可以減積減重;提高逆變轉(zhuǎn)化效率2%左右,綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%;降低損耗,提高光伏發(fā)電站經(jīng)濟(jì)效益;SiC材料特性,降低故障率。


風(fēng)電:用于風(fēng)電整流器、逆變器、變壓器,風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的交流電易受風(fēng)力影響使得電壓、電流不穩(wěn)定,先要經(jīng)過整流為直流電后再逆變成交流電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng),提高效率、降低損耗,同時(shí)成本和質(zhì)量分別減少50%和25%。


新能源汽車車載充電機(jī)(OBC):減積減重、提高效率、降低損耗。


新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3,減積減重;電力損耗減少47%,開關(guān)損耗85%,提升電力使用效率;開關(guān)頻率可達(dá)硅基IGBT10倍以上,提高開關(guān)頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重;發(fā)熱量也只有硅器件的1/2,有非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,散熱處理更容易,散熱體積減小,可使得車輛冷卻系統(tǒng)的體積減少60%,甚至消除了二次液體的冷卻系統(tǒng),減積減重;可實(shí)現(xiàn)逆變器與馬達(dá)一體化,減積減重??删C合提高新能源汽車5%~10%左右的續(xù)航里程。


新能源汽車直流充電樁:減積減重;提高充電效率至少1%,達(dá)到96%以上的轉(zhuǎn)化效率;由于SiC功率器件對(duì)溫度依賴性較低,提高夏季高溫時(shí)段電能轉(zhuǎn)化效率;降低電能損耗,提升大型充電站的經(jīng)濟(jì)效益;充電樁系統(tǒng)成本與硅基基本持平,性價(jià)比較高。


空調(diào):用于變頻空調(diào)前端的功率因數(shù)校正(PFC)電源內(nèi)部,體積和質(zhì)量大幅減少1/2以上,功耗降低15%,綜合成本降低10%。


軌道交通:采用SiC逆變器,可使車輛系統(tǒng)電力損耗降低30%以上,零部件體積及質(zhì)量減少40%,效率及速度提升。


電磁感應(yīng)加熱:減積減重、提高效率、降低損耗。


軍工領(lǐng)域:各種車載、機(jī)載、船載、彈載等電源裝置,減積減重、提高效率、降低損耗。


  


碳化硅憑借其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)獲得了廣泛的應(yīng)用,迅速占領(lǐng)了半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的半壁江山。隨著生產(chǎn)成本的不斷下降,優(yōu)異的性能讓碳化硅在功率器件的行業(yè)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅單質(zhì)半導(dǎo)體的逐步取代。而面對(duì)世界范圍內(nèi)發(fā)展空間巨大的碳化硅半導(dǎo)體市場(chǎng),我國(guó)需要盡快提升研發(fā)實(shí)力,完善碳化硅半導(dǎo)體的發(fā)展體系。





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