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宽禁带半导体之碳化硅(SiC)最全解读

2019-08-02 14:03 来源:科技产业微观察 编辑:Janet

随着节能减排、新能源并网、智能电网的发展,这些领域对功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高,要求器件有更高的工作电压、更大的电流承载能力、更高的工作频率、更高的效率、更高的工作温度、更强的散热能力和更高的可靠性。经过半个多世纪的发展,基于硅材料的功率半导体器件的性能已经接近其物理极限。因此,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料的发展开始受到重视。技术领先国家和国际大型企业纷纷投入到碳化硅和氮化镓的研发和产业化中,产业链覆盖材料、器件、模块和应用等各个环节。

第三代半导体器件的优势主要表现在:(1)比导通电阻是硅器件的近千分之一(在相同的电压/电流等级),可以大大降低器件的导通损耗;(2)开关频率是硅器件的20倍,可以大大减小电路中储能元件的体积,从而成倍地减小设备体积,减少贵重金属等材料的消耗;(3)理论上可以在600 ℃以上的高温环境下工作,并有抗辐射的优势,可以大大提高系统的可靠性,在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。

目前,第三代功率半导体器件已经在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域得到应用,并展现出良好的发展前景。国际领先企业已经开始部署市场,全球新一轮的产业升级已经开始,正在逐渐进入第三代半导体时代。

碳化硅是目前发展最成熟的半导体材料,氮化镓紧随其后,金刚石、氮化铝和氧化镓等也成为国际前沿研究热点。以下将通过一个系列3篇分别介绍当前的发展状况。

一、碳化硅概述

碳化硅(Silicon Carbide)是C元素和Si元素形成的化合物,目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有200多种,其中六方结构的4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势,是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料,也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料,与硅材料的物理性能对比,主要特性包括:(1)临界击穿电场强度是硅材料近10倍;(2)热导率高,超过硅材料的3倍;(3)饱和电子漂移速度高,是硅材料的2倍;(4)抗辐照和化学稳定性好;(5)与硅材料一样,可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层。

宽禁带半导体之碳化硅(SiC)最全解读

碳化硅功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。其中,单晶材料是碳化硅功率半导体技术和产业的基础,主要技术指标有单晶直径、微管密度、单晶电阻率、表面粗糙度、翘曲度等;外延材料是实现器件制造的关键,主要技术指标有外延片直径、外延层厚度、外延层掺杂浓度和表面缺陷密度等;器件是整个产业链的核心,主要技术指标有阻断电压、单芯片导通电流/电阻、阻断状态的漏电流、工作温度等;模块是实现器件应用的桥梁,主要技术指标有模块容量、热阻、寄生参数和驱动保护等;应用是碳化硅功率半导体器件和产业发展的源动力,主要技术指标是开关频率、转换效率和功率密度等。

二、碳化硅产业发展现状

二十世纪九十年代以来,美、日、欧和其他发达国家为了保持航天、军事和技术上的优势,将发展碳化硅半导体技术放在极其重要的战略地位,相继投入了大量的人力和资金对碳化硅材料和器件技术进行了广泛深入的研究,旨在提升其装备系统的能力和减小组件的体积,目前已经取得了重大的突破。碳化硅功率半导体器件为更小体积、更快速度、更低成本、更高效率的下一代电力电子技术的进步提供了机遇,在智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域具有重大的应用前景和产业价值。

1、碳化硅单晶材料

目前生长碳化硅单晶最成熟的方法是物理气相输运(PVT)法,其生长机理是:在超过2000 ℃高温下将碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质,在温度梯度的驱动下,这些气相物质将被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶体。通过控制PVT的温场、气流等工艺参数可以生长特定的4H-SiC晶型。

碳化硅单晶材料主要有导通型衬底和半绝缘衬底两种。高质量、大尺寸的碳化硅单晶材料是碳化硅技术发展首要解决的问题,持续增大晶圆尺寸、降低缺陷密度(微管、位错、层错等)是其重点发展方向。2010年,美国Cree公司发布6英寸碳化硅单晶衬底样品,并于2015年开始批量供货;2015年,美国Cree、II-Ⅵ公司推出了8英寸碳化硅单晶衬底材料样品。

宽禁带半导体之碳化硅(SiC)最全解读

全球导通型碳化硅晶圆材料市场的发展趋势。导通型碳化硅单晶衬底材料是制造碳化硅功率半导体器件的基材。根据Yolo公司统计,2017年4英寸碳化硅晶圆市场接近10万片;6英寸碳化硅晶圆供货约1.5万片;预计到2020年,4英寸碳化硅晶圆的市场需求保持在10万片左右,单价将降低25 %;6英寸碳化硅晶圆的市场需求将超过8万片。预计2020~2025年,4英寸碳化硅晶圆的单价每年下降10 %左右,市场规模逐步从10万片市场减少到8万片,6英寸晶圆将从8万片增长到20万片;2025~2030年,4英寸晶圆逐渐退出市场,6英寸晶圆将增长至40万片。

宽禁带半导体之碳化硅(SiC)最全解读

全球半绝缘碳化硅晶圆材料市场的发展趋势。半绝缘衬底具备高电阻的同时可以承受更高的频率,因此在5G通讯和新一代智能互联,传感感应器件上具备广阔的应用空间。当前主流半绝缘衬底的产品以4英寸为主。2017年,全球半绝缘衬底的市场需求约4万片。预计到2020年,4英寸半绝缘衬底的市场保持在4万片,而6英寸半绝缘衬底的市场迅速提升至4~5万片;2025~2030年,4英寸半绝缘衬底逐渐退出市场,而6英寸晶圆将增长至20万片。

国际上碳化硅单晶衬底材料的产业化公司主要有美国科锐(Cree)、II-VI、道康宁(Dow Corning),德国SiCrystal(被日本罗姆Rohm收购)等公司,其碳化硅单晶产品覆盖4英寸和6英寸。

国内主要碳化硅单晶衬底材料企业和研发机构已经具备了成熟的4英寸零微管碳化硅单晶产品,并已经研发出了6英寸单晶样品,但是在晶体材料质量和产业化能力方面距离国际先进水平存在一定差距。

2、碳化硅外延材料

与传统硅功率器件制作工艺不同的是,碳化硅功率器件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。主要的外延技术是化学气相沉积(CVD),通过台阶流的生长来实现一定厚度和掺杂的碳化硅外延材料。随着碳化硅功率器件制造要求和耐压等级的不断提高,碳化硅外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展。近年来,薄碳化硅外延材料(20 μm以下)的质量不断提升,外延材料中的微管缺陷已经消除,掉落物、三角形、胡萝卜、螺位错、基平面位错、深能级缺陷等成为影响器件性能的主要因素。随着外延生长技术的进步,外延层厚度也从过去的几μm、十几μm发展到目前的几十μm、上百μm。

由于碳化硅器件必须制作在外延材料上,所以基本上所有碳化硅单晶材料都将作为衬底材料用来生长外延材料。国际上碳化硅外延材料技术发展迅速,最高外延厚度达到250 μm以上。其中,20 μm及以下的外延技术成熟度较高,表面缺陷密度已经降低到1个/cm2以下,位错密度已从过去的105个/cm2,降低到目前的103个/cm2以下,基平面位错的转化率接近100 %,已经基本达到碳化硅器件规模化生产对外延材料的要求。近年来国际上30 μm~50 μm外延材料技术也迅速成熟起来,但是由于受到市场需求的局限,产业化进度缓慢。目前批量碳化硅外延材料的产业化公司有美国的Cree、Dow Corning,日本昭和电工(Showa Denko)等。

我国碳化硅外延材料的研发和产业化水平紧紧跟随国际水平,产品已打入国际市场。在产业化方面,我国20μm及以下的碳化硅外延材料产品水平接近国际先进水平;在研发方面,我国开发了100μm的厚外延材料,在厚外延材料缺陷控制等方面距离国际先进水平有一定的差距。同时,由于国内碳化硅芯片制造能力薄弱,对碳化硅单晶和材料的需求较低,尚不足以完全支撑和拉动我国碳化硅单晶衬底和外延材料产业的发展。

3、碳化硅功率器件

碳化硅功率半导体器件包括二极管和晶体管,其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管(JBS)、PiN功率二极管和混合PiN肖特基二极管(MPS);晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等。

2001年,德国英飞凌(Infineon)公司最先发布碳化硅肖特基功率二极管产品,同年美国Cree公司也实现了碳化硅肖特基功率二极管的产业化。由于碳化硅晶体管的技术难度大,产业化进度落后于二极管。2010年,日本Rohm公司首先量产SiC MOSFET产品,2011年美国Cree公司开始销售SiC MOSFET产品。SiC IGBT和GTO等器件由于技术难度更大,仍处于研发阶段,距离产业化有较大的差距。SiC JBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越,成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的碳化硅功率器件。

随着国际上碳化硅功率器件技术的进步和制造工艺从4英寸升级到6英寸,器件产业化水平不断提高,碳化硅功率器件的成本迅速下降。全球碳化硅功率器件市场的发展趋势。2017年全球碳化硅功率器件(主要是SiC JBS和MOSFET)的市场接近17亿元人民币。Yole公司预测,2017~2020年,碳化硅器件的复合年均增长率超过28 %,到2020年市场规模达到35亿元人民币,并以超过40 %的复合年均增长率继续快速增长。预计到2025年,全球碳化硅功率器件市场规模将超过150亿元人民币,到2030年,全球碳化硅功率器件市场规模将超过500亿元人民币。国内碳化硅器件的市场约占国际市场的40 %~50 %。

宽禁带半导体之碳化硅(SiC)最全解读

目前,国际上主要的碳化硅功率器件产业化公司有美国Wolfspeed、德国Infineon、日本Rohm、欧洲的意法半导体(STMicroelectronics)、日本三菱(Mitsubishi),这几家大公司约占国际市场的90 %,另外,美国通用电气(GE)、日本丰田(Toyota)、日本富士(Fuji)、日本东芝(Toshiba)、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也开发了碳化硅功率器件产品。在SiC二极管产品方面,美国Wolfspeed(包括Cree)、德国Infineon公司已经推出了五代 SiC JBS产品;其中Wolfspeed的第四代及以前的产品为平面型,第五代为沟槽型,并且在第五代650 V器件中采用了晶圆减薄工艺将碳化硅晶圆由370 μm减薄至180 μm,进一步提高了器件的性能。Rohm公司开发了三代SiC二极管,最新产品也采用了沟槽型结构。Infineon公司的前四代SiC二极管以600 V、650 V产品为主,从第五代开始推出1200 V产品,即将推出第六代低开启电压的SiC JBS产品。在MOSFET器件方面,Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三个电压等级、几十款平面栅MOSFET器件产品,电流从1 A~50 A不等;2017年3月,美国Wolfspeed公司发布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片,是目前单芯片电流容量最大的SiC MOSFET产品;Rohm公司的SiC MOSFET产品有平面栅和沟槽栅两类,电压等级有650 V和1200 V;意法半导体开发了650 V和1200 V两个电压等级的SiC MOSFET产品,Infineon公司也推出了沟槽栅的1200 V SiC MOSFET产品。另外,GeneSiC公司开发了1200 V和1700 V的 SiC BJT产品,Infineon和USCi公司开发了1200 V的SiC JFET产品。在研发领域,国际上已经开发了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件样品,以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件样品,由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件设计技术、芯片制造工艺、器件封装驱动技术以及市场需求的制约,以上高压器件短期内无法实现产业化。

“十二五”初期,我国掀起了研发第三代功率半导体器件领域的热潮;“十三五”期间,我国掀起了第三代功率半导体材料和器件产业化的浪潮。当前,我国的碳化硅功率器件产品以二极管产品为主,若干单位具备开发晶体管产品的能力,尚未实现产业化。在国家科技项目和各级政府的支持下,目前国内有多家企业建成或正在建设多条碳化硅芯片工艺线,这些工艺线的投产,将会大大提升国内碳化硅功率器件的产业化水平。

4、碳化硅功率模块

为了进一步提升碳化硅功率器件的电流容量,通常采用模块封装的方法把多个芯片进行并联集成封装。碳化硅功率模块首先是从由硅IGBT芯片和SiC JBS二极管芯片组成的混合功率模块产品发展起来的。随着SiC MOSFET器件的成熟,Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司开发了由SiC JBS二极管和MOSFET组成的全碳化硅功率模块。目前国际上的碳化硅功率模块产品最高电压等级3300 V,最大电流700 A,最高工作温度175 ℃。在研发领域,全碳化硅功率模块最大电流容量达到1200 A,最高工作温度达到250 ℃,并采用芯片双面焊接、新型互联和紧凑型封装等技术来提高模块性能。

基于我国成熟的硅基功率模块的封装技术和产业,我国碳化硅功率模块的产业化水平紧跟国际先进水平。由于国内SiC MOSFET芯片产品尚未实现产业化,我国开发碳化硅功率模块产品中的MOSFET芯片全部采用进口芯片。

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标签: 碳化硅 SiC

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