SiC外延行业动态4244.pdf
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1、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
2、第三代宽带隙(Eg)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 所示。第三代半导体材料的性质见表,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。
3、图 Si 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
4、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 SiC MOSFET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 所示。SiC 作为二元化合物半导体,属于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/,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
5、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
6、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 50m,掺杂浓度小于 21015cm-3,载流子寿
7、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 100m 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 和空穴迁移率p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
8、 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(E)特性描述。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 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
9、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 1 978年提出利用籽晶升华法(seeded sublimation method)生长 SiC 单晶,即所谓“改进的 Lely 法”(modified
10、Lely method)或物理气相传输法(physical vapor transport,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
11、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 10cm2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 lcm2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(100 mm)零微管(ZMP)n 型 Si
12、C 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,600V212A、20A 和 12kV10、20A 的二极管已经实现商品化。SiC MESFET 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
13、晶体管(Junction Field Efieet Transistor)由于在高压、大功率的优越特性,在汽车电子、DCDC 转换器等领域具有很好的应用前景。2003 年,Jian HZhao 等人研制了凹沟和注入的 4H-SiC VJFETL341。其性能指标为在 VC=-9V 时,阻断电压为 1710V,且 RON_sp轴为,品质因子(Figure of Merit)VB2RON_sp=1056MWcm2。2007 年,Rongxi Zhang 等人报道了便于集成的 4H-SiC 横向 RESURF JFET,其性能指标为阻断电压为1000V,比开态电阻 RON_sp 为 9 1mO cm
14、2,VB2RON_sp=1056MWcm2。Yongxi Zhang 等人还研制了垂直沟道横向结的 RESURF JFET,比开态电阻 RON_sp 即为 cm2,VB2RON_sp=116MWcm2;SiC 双极晶体管(Bipolar Juention Transistor)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,Jian Hui Zhang 等人研制了 12m P 漂移层的 SiC BJT,器件性能为:创记录的比开态电阻为 RON_sp 为cm2,基极开态时收集极一发射极阻断电压为 757V,电流增益为。2008 年 Jian
15、Hui Zhang 等人研制了高发射极电流增益 SiC BJT,器件性能为:比开态电阻为 RON_sp 为 mOcm2,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 SiC BJT 的良好发展态势;2008 年,Robert SHowell 等人报道了芯片面积,有源区面积 O15cm2,击穿电压为 10kV 的 DMOSFET,在栅电场为 3MVcm 时的 IDS=8A,而 VGs=0v 时的亚阂值电流从 25的 1A 降到 200的A。目前 SiC MOSFET 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;SiC MESFET 作为工作在 UHF-X
16、 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-SiC MESFET 的微波大功率产品,工作频率 3 GHz,40-50 V 电压,连续波输出功率 80 W,增益大于 dB,功率附加效率 38,脉冲输出功率 120 W。此外,Cree 公司采用4 个晶体管制成输出功率为 400 W 的功率放大器。最近,Northrop Grumlilan Co 制成大功率 4HSiC MESFET 在周长为 mm,栅长为 pm,10 GHz 下,输出功率为 6 W,相应的增益、漏效率和功率附加效率分别为、52和 346。美国 Purdue大学制成的亚微米T 型栅SiC
17、MESFET的饱和漏电流为350 mAmm,跨导为20 msmm,漏击穿电压为 120 V,m 的 T 型栅的最大 RF 功率密度为mm。SiC 基的静态感应晶体管(Static Induced Transistor)、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(100 mm)零微管(ZMP)n 型 SiC 衬底。同时,螺旋位错(screw dislocation)密度被降低到几十个cm2。商用水平最高的器件:4
18、H-SiC MESFET 在 S-波段连续波工作 60W,ldB 压缩),漏效率 45,POUT=PldB),工作频率至。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,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 SiC MESFET 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 1
19、3 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 1000-1200cm2Vs(1015cm3),掺杂浓度 5101211020cm3,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
20、。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 1014 cm-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 3mh,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。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
21、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
22、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。SiC JFET 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
23、 40m(见图),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。SiC JFET 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 SiC JFET结构如图所示。图 构成 IGBT 的沟槽和场截止(trench+field-stop)单元示意图 图 SiC 物理特性与 SiC JFET 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
24、 10kW 以下的HV-LV DC/DC 转换器和 AC/DC 充电器,基于 MOSFET/CoolMOS 和 SiC 的解决方案如图所示。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 的解决方案如图所示。图 对开关频率在 100kHz 以上、功率在 10kW 以下的 HV-LV DC/DC 转换器和 AC/DC 充电器,基于 MOSFET/CoolMOS 和 SiC 的解决方案图 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 英飞凌.XT 工艺与标准工艺的
25、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),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
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