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SiC器件的优点被熟知近60年为什么还未普及?

如果硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础,砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料奠定了信息产业的基础,那么以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料将是提升新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。凭借禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性,SiC器件备受期待,但工艺和成本成为其普及的障碍。不过,在可以预见的未来,我们将看到SiC对电动汽车行业产生的革命性影响,电动汽车也将引领SiC器件的普及。

SiC材料优势明显,但普及面临两大难题

现代电子技术对半导体材料提出了高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等新要求,安森美半导体宽带隙高级产品线经理Llew Vaughan-Edmunds表示:“SiC和GaN均是宽带隙第三代半导体材料,结合卓越的开关性能、温度稳定性和低电磁干扰(EMI),极其适用于下一代电源转换,如太阳能逆变器、电源、电动汽车和工业动力。”

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安森美半导体宽带隙高级产品线经理Llew Vaughan-Edmunds

以SiC为例对比前两代半导体材料, ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原 徳建 (Tokuyasu Mizuhara)告诉《华强电子》杂志记者:“SiC与Si相比,绝缘击穿电场强度高约10倍,可达几千伏特的高耐压。另外Si在高耐压化时导通电阻变大,为了改善这一现象,主要使用Si-IGBT,但存在开关损耗大的问题,而SiC单位面积的导通电阻非常低,可降低功率损耗,同时具有优异的高速开关性能。” 美高森美(Microsemi) SiC技术总监Avinash Kashyap博士表示:“对功率半导体来说,自上世纪90年代末推出硅超结(superjunction) MOSFET以来,SiC的出现已经是新一代量子飞跃。GaAs具有直接带隙和高迁移性,但其主要应用限于光电子和高频。SiC则拥有比Si (1.1 eV)和GaAs (1.39 eV)更宽的带隙。”

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ROHM半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原 徳建

具体来说,“SiC (2.2 MV/cm)的临界电场数量级高于Si,使功率器件的漂移区薄10倍,显著降低了导通状态电阻,与功率等级相当的Si器件相比,SiC器件的芯片尺寸可以大幅缩小。SiC芯片不仅尺寸更小还可以使电容更低,这一特点加上更高饱和速度 (Si的两倍)使SiC能够在相对较高的频率下工作。采用SiC器件的电路中可以使用更小的无源器件,降低开关损失和提高效率。最后,SiC更高的带隙和热导率 (Si的三倍),使其可以在更高结温 (175–200摄氏度) 条件下可靠地工作,从而降低或消除主动冷却要求。” Avinash Kashyap博士补充解释SiC器件的优势。

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美高森美(Microsemi) SiC技术总监Avinash Kashyap博士

不过,即便早在20世纪60年代碳化硅器件的优点就已经被人们所熟知,但实际情况是SiC器件目前仍未推广普及。其中,SiC材料的外延工艺和价格是两大阻碍。

微管缺陷已不是普及绊脚石 SiC器件可靠性同样关键

SiC之所以普及受到阻碍,一大重要原因就是SiC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材料而言,单晶衬底经常指硅片(wafer),它是从事生产的前提和保证。值得庆幸的是,20世纪70年代末一种生长大面积 SiC衬底的方法以研制成功,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。

Avinash Kashyap博士介绍,微管和基面滑移是SiC外延增长期间存在的主要缺陷。最初,微管限制了SiC基板可以使用的芯片尺寸,因为在存在微管的地方制造任何垂直器件将不可避免地失败,过去十年,SiC芯片的这些缺陷已经大幅减少。由于最近几乎不存在这种缺陷,因此可以制造出大面积SiC器件,且良率相对较高。现在,Microsemi已经可以提供极低甚至零微管缺陷的芯片,微管缺陷已不再是实现高良率工艺的绊脚石。

水原徳建也表示:“最初开发的SiC产品受限于当时工艺和生产设备,可能在可靠性方面确实存在一些需要解决的问题。但如今,SiC的工艺已逐渐成熟,特别在车载领域已经有了很多应用的实绩,可靠性得到了很好的验证,这也使得SiC近几年来在一些市场迅速取代传统Si器件。”

除了缺陷密度问题,SiC界面状态和表面粗糙度问题同样需要解决,这些缺陷降低了器件的迁移性,妨碍材料的特性充分被利用。氧化层质量降低也会对器件的长期可靠性造成不良影响。Avinash Kashyap博士表示:“改善SiC中氧化层的质量是美高森美过去几年的重点。我们通过先进的器件设计方法,降低介质界面的电应力,确保氧化层的稳健性。在制造阶段,美高森美开发了采用几个专有步骤的洁净氧化工艺,降低了固有缺陷,并确保器件使用寿命较长。除设计和工艺改进之外,美高森美的SiC产品还将符合汽车AEC-Q101标准的要求。这是我们为自己设立的高标杆,确保向客户提供市场上最可靠的SiC部件。”

Llew Vaughan-Edmunds也表示:“SiC基板处理、外延生长和制备等方面的进展大大降低缺陷密度到市场发布可接受的水平。随着需求的增长,我们将看到持续的工艺改进及更高批量,但还需要顾及最终产品的筛选级别。安森美半导体具有独特的方法实施于整个完整的工艺周期,以确保客户获得最高质量的产品。另一个重要的考量是SiC二极管/MOSFET的设计,SiC很多设计用于处理高应力,对于终端结构需要考虑很多以确保器件的强固性。安森美半导体拥有专利的终端结构,能为市场提供可靠性卓越的产品。