SiC外延行業(yè)動(dòng)態(tài)

1、SiC同質(zhì)外延行業(yè)動(dòng)態(tài)一、 行業(yè)概述半導(dǎo)體技術(shù)與人們的生活息息相關(guān)，它在提高人們生活水平的同時(shí)，深刻地影響了當(dāng)代人的方方面面。作為半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)重要分支，半導(dǎo)體材料對半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有著舉足輕重的作用，它的每一次發(fā)展都會(huì)推動(dòng)半導(dǎo)體器件和集成電路性能的較大進(jìn)步。為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)，我們需要堅(jiān)持不懈地研究半導(dǎo)體材料。現(xiàn)在，使用半導(dǎo)體材料 Si、Ge 制造器件的技術(shù)比較成熟，應(yīng)用的范圍相當(dāng)廣泛。然而，隨著電路系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜化，我們對電子器件的性能要求也更加嚴(yán)格，硅材料已不能滿足要求。所以第二代半導(dǎo)體材料 GaAs 等應(yīng)運(yùn)而生，在一定程度范圍滿足了現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用的要求。在此之后，又研究出第三

2、代寬帶隙（Eg>2.3eV）半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)越的綜合性能脫穎而出，其中具有代表性的是 SiC 和 GaN。Si 器件作為當(dāng)今世界的主流，日益表現(xiàn)出局限性，其帶隙寬度較小，高溫下不能正常工作，在高溫、高頻、大功率及強(qiáng)輻射條件下性能捉襟見肘。Si器件的最高耐溫只有 150，而 SiC 器件的耐溫可達(dá) 600，而且熱導(dǎo)率高，有利于器件良好地散熱，使器件發(fā)揮更好的性能，由于散熱良好，器件和集成電路的體積可以做的更小。SiC 器件和 Si器件相比，耐壓范圍也更高，如圖 1.1 所示。第三代半導(dǎo)體材料的性質(zhì)見表 1.1，所以在耐腐蝕等環(huán)境下，有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。電力電子領(lǐng)域是 S

3、iC 材料應(yīng)用的典型領(lǐng)域。圖 1.1 Si 和 SiC 器件耐壓值范圍在航空航天或軍事領(lǐng)域，系統(tǒng)的工作條件極其惡劣。從 80 年代末起，SiC 材料與器件的飛速發(fā)展。由于 SiC 材料種類很多，性質(zhì)各異，它的應(yīng)用范圍十分廣泛。在大功率器件方面，利用 SiC 材料可以制作的器件，其電流特性、電壓特性、和高頻特性等具有比 Si材料更好的性質(zhì)。在高頻器件方面，SiC 高頻器件輸出功率更高，且耐高溫和耐輻射輻射特性更好，可用于通信電子系統(tǒng)等。在光電器件方面，利用 SiC 不影響紅外輻射的性質(zhì)，可將其用在紫外探測器上，在 350的溫度檢測紅外背景下的紫外信號(hào)，功率利用率 80%左右。在耐輻射方面，一些

4、SiC 器件輻射環(huán)境惡劣的條件下使用如核反應(yīng)堆中應(yīng)用。高溫應(yīng)用方面，利用 SiC 材料制備的器件工作溫度相當(dāng)?shù)馗?，?SiC MOSFET和 SiC 肖特基二極管可在 900k 下工作。從世界范圍來看，高功率器件是最有可能實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用潛力也最大，如圖 1.2所示。SiC 作為二元化合物半導(dǎo)體，屬于族元素中唯一的固態(tài)化合物。它 Si-C 健的能量很穩(wěn)定，這也是 SiC 在各種極端環(huán)境下仍能穩(wěn)定的原因。SiC 的原子化學(xué)能高達(dá) 1250KJ/mol；德拜溫度達(dá)到 1200-1430K，摩爾硬度達(dá)到 9 級(jí)，僅比金剛石摩爾硬度低些；導(dǎo)熱性良好，達(dá) 5W/cm.K,比其他半導(dǎo)體材料好很多。SiC 有多

5、種同質(zhì)多型體，不同的同質(zhì)多型體有不同的應(yīng)用范圍。典型的有3C-SiC、4H-SiC 和 6H-SiC，它們各有不同的應(yīng)用范圍。其中，3C-SiC 是唯一具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體，其電子遷移率最高，再加上有高熱導(dǎo)率和高臨界擊穿電場，非常適合于制造高溫大功率的高速器件；6H-SiC 具有寬的帶隙，在高溫電子、光電子和抗輻射電子等方面有使用價(jià)值，使用6H-SiC 制造的高頻大功率器件，工作溫度高，功率密度有極大的提升；而 4H-SiC 具有比 6H-SiC 更寬的帶隙和較高的電子遷移率，是大功率器件材料的最優(yōu)選擇。由于 SiC 器件在國防和民用領(lǐng)域不可替代的地位，世界上很多國家對 SiC 半導(dǎo)體材

6、料和器件的研究都很重視。美國的國防寬禁帶半導(dǎo)體計(jì)劃、歐洲的ESCAPEE計(jì)劃和日本的國家硬電子計(jì)劃等，紛紛對 SiC 半導(dǎo)體材料晶體制備和外延及器件投入巨資進(jìn)行研究。SiC 電子器件是微電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。SiC 材料的擊穿電場有4MV/cm，很適合于制造高壓功率器件的有源層。而由于 SiC 襯底存在缺陷等原因，將它直接用于器件制造時(shí)，性能不好。SiC 襯底經(jīng)過外延之后，其表面缺陷減少，晶格排列整齊，表面形貌良好，比襯底大為改觀，此時(shí)將其用于制造器件可以提高器件的性能。為了提高擊穿電壓，厚的外延層、好的表面形貌和較低的摻雜濃度是必需的。一些高壓雙極性器件，需外延膜的厚度超過 50m,摻

7、雜濃度小于 2×1015cm-3,載流子壽命大過 1us。對于高反壓大功率器件，需要要在 4H-SiC 襯底上外延一層很厚的、低摻雜濃度的外延層。為了制作 10KW 的大功率器件，外延層厚度要達(dá)到 100m以上。高壓、大電流、高可靠性 SiC 電子器件的不斷發(fā)展對 SiC 外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通過進(jìn)一步深入的研究提高厚外延生長技術(shù)。電子遷移率 和空穴遷移率p表示單位電場下載流子的漂移速度，對器件而言，這是決定性的重要參數(shù)，影響到器件的微波器件跨導(dǎo)、FET 的輸出增益、功率 FET 的導(dǎo)通電阻和其它參數(shù)。本征載流子濃度（ni）與導(dǎo)帶和介帶的狀態(tài)密度Nc和Nv 成比例。然而

8、，由于晶格熱膨脹和電子質(zhì)子耦合的結(jié)果，像帶隙Eg那樣，也與溫度有關(guān)。本征載流子濃度在高溫器件應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，因?yàn)槠骷?pn 結(jié)漏電流通常與ni或ni2成正比。電子和空穴的傳輸特性是重要的材料參數(shù)，它們由載流子速度-電場( E)特性描述。 E特性通常用載流子遷移率及飽和漂移速度描述。速度達(dá)到飽和時(shí)的電場值表征載流子速度被加速到達(dá)飽和值的快慢。此外，SiC 物質(zhì)在擴(kuò)散滲透時(shí)有低的滲透度。電荷載流子壽命較短，但是壽命和擴(kuò)散長度隨溫度的升高而增大。二、 行業(yè)動(dòng)態(tài)2.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀SiC是最早發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體材料之一。早在1824年，瑞典科學(xué)家Berzelius在試圖合成金剛石時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了SiC

9、，首次揭示了C-Si鍵存在的可能性。直到1885年，Acheson才第一次使用焦炭與硅石混合在電熔爐中高溫加熱獲得SiC單晶。但得到的SiC雜質(zhì)濃度較高，結(jié)晶完整性較差，同時(shí)SiC的結(jié)晶形態(tài)繁多，根本無法用于制造電子器件。1955年，荷蘭飛利浦研究室的Lely首次在實(shí)驗(yàn)室中用升華氣體再結(jié)晶的方法制成雜質(zhì)數(shù)量和種類可控制的、具有足夠尺寸的SiC單晶，由此奠定了碳化硅的發(fā)展基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，前蘇聯(lián)科學(xué)家Tariov和Tsvetkov等人于1 978年提出利用籽晶升華法(seeded sublimation method)生長SiC單晶，即所謂“改進(jìn)的Lely法”(modified Lely met

10、hod)或物理氣相傳輸法(physical vapor transport，PVT)，從根本上克服了液相生長SiC比較困難這一障礙。1987年，專門從事SiC半導(dǎo)體研究工作的Cree公司成立，并于1994年制備出4H-SiC晶片。隨后，SiC器件的制造工藝，如離子注入、氧化、刻蝕、金屬半導(dǎo)體接觸等取得了重大進(jìn)展，從而掀起了SiC材料、器件及相關(guān)技術(shù)研究的熱潮，并取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。就SiC單晶生長來講，美國Cree公司由于其研究領(lǐng)先，主宰著全球SiC市場，幾乎85以上的SiC襯底由Cree公司提供。此外，俄羅斯、日本和歐盟(以瑞典和德國為首)的一些公司和科研機(jī)構(gòu)也在生產(chǎn)SiC襯底和外延片，并

11、且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。在過去的幾年中，SiC晶片的質(zhì)量和尺寸穩(wěn)步提高，1998年秋，2英寸直徑的4H-SiC晶片已經(jīng)在投入市場。1999年直徑增大到3英寸，微管(micropipe)密度下降到10cm2左右，這些進(jìn)展使得超過毫米尺寸的器件制造成為可能。從2005年下半年，微管密度小于lcm2的3英寸6H和4H-SiC晶片成為商用SiC材料的主流產(chǎn)品。2007年5月23日，Cree公司宣布在SiC技術(shù)開發(fā)上又出現(xiàn)了一座新的里程碑一英寸(100 mm)零微管(ZMP)n型SiC襯底。同時(shí)，螺旋位錯(cuò)(screwdislocation)密度被降低到幾百個(gè)cm2。雖然螺旋位錯(cuò)對器件性能的影響不如微管那么大，

12、但還是會(huì)影響到擊穿場強(qiáng)、少數(shù)載流子壽命等材料性能。SiC單晶材料取得的突破進(jìn)展，不斷推進(jìn)著SiC器件的研究和發(fā)展，大部分常規(guī)的SiC單極、雙極、二端和三端器件都取得了很好的進(jìn)展。擁有高溫、高頻特性，擊穿電壓幾千伏、電流幾十安培的肖特基二極管已開發(fā)成功，300W10、20A，600V212A、20A和12kV10、20A的二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。SiC MESFET及JFET等高頻大功率器件成為近幾年SiC器件的一個(gè)研究熱點(diǎn)。SiC結(jié)型場效應(yīng)晶體管(Junction Field Efieet Transistor)由于在高壓、大功率的優(yōu)越特性，在汽車電子、DCDC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。2

13、003年，Jian HZhao等人研制了凹溝和注入的4H-SiC VJFETL341。其性能指標(biāo)為在VC=-9V時(shí)，阻斷電壓為1710V，且RON_sp軸為2.77mOcm2，品質(zhì)因子(Figure of Merit)VB2RON_sp=1056MWcm2。2007年，Rongxi Zhang等人報(bào)道了便于集成的4H-SiC橫向RESURF JFET，其性能指標(biāo)為阻斷電壓為1000V，比開態(tài)電阻RON_sp為91mO·cm2，VB2RON_sp =1056MWcm2。Yongxi Zhang等人還研制了垂直溝道橫向結(jié)的RESURF JFET，比開態(tài)電阻RON_sp即為9.1mO

14、83;cm2，VB2RON_sp =116MWcm2；SiC雙極晶體管(Bipolar Juention Transistor)具有很好的大電流放大能力，而且能夠在射頻領(lǐng)域工作，成為最近SiC器件研究的熱點(diǎn)之一。2006年，Jian Hui Zhang等人研制了12m P漂移層的SiC BJT，器件性能為：創(chuàng)記錄的比開態(tài)電阻為RON_sp為2.9mO·cm2，基極開態(tài)時(shí)收集極一發(fā)射極阻斷電壓為757V，電流增益為18.8。2008年Jian Hui Zhang等人研制了高發(fā)射極電流增益SiC BJT，器件性能為：比開態(tài)電阻為RON_sp為3.0 mO·cm2，基極開態(tài)時(shí)收集

15、極一發(fā)射極阻斷電壓為1750V，電流增益高達(dá)70，顯示了SiC BJT的良好發(fā)展態(tài)勢；2008年，Robert SHowell等人報(bào)道了芯片面積0.43cm2，有源區(qū)面積O15cm2，擊穿電壓為10kV的DMOSFET，在柵電場為3MVcm時(shí)的IDS=8A，而VGs=0v時(shí)的亞閡值電流從25的1A降到200的0.4A。目前SiC MOSFET的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于溝道遷移率的提高和氧化層可靠性的改善；SiC MESFET作為工作在UHF-X波段頻率范圍內(nèi)的功率晶體管進(jìn)入了成熟期，Cree公司于2005年報(bào)道單片4H-SiC MESFET的微波大功率產(chǎn)品，工作頻率3 GHz，40-50 V電壓，連續(xù)

16、波輸出功率80 W，增益大于7.6 dB，功率附加效率38，脈沖輸出功率120 W。此外，Cree公司采用4個(gè)晶體管制成輸出功率為400 W的功率放大器。最近，Northrop Grumlilan Co制成大功率4HSiC MESFET在周長為1.92 mm，柵長為0.5 pm，10 GHz下，輸出功率為6 W，相應(yīng)的增益、漏效率和功率附加效率分別為5.1db、52和346。美國Purdue大學(xué)制成的亞微米T型柵SiC MESFET的飽和漏電流為350 mAmm，跨導(dǎo)為20 msmm，漏擊穿電壓為120 V，0.5m的T型柵的最大RF功率密度為3.2Wmm。SiC基的靜態(tài)感應(yīng)晶體管(Stati

17、c Induced Transistor)、紫外探測器、PiN二極管、肖特基二極管 (SBD)等器件都是具有較好性能和應(yīng)用潛力。在4H-SiC材料和器件發(fā)展方面，美國處于國際領(lǐng)先地位，已經(jīng)從探索性研究階段向大規(guī)模研究和應(yīng)用階段過渡。CREE公司已經(jīng)生產(chǎn)出4英寸(100 mm)零微管(ZMP)n型SiC襯底。同時(shí)，螺旋位錯(cuò)(screw dislocation)密度被降低到幾十個(gè)cm2。商用水平最高的器件：4H-SiC MESFET在S-波段連續(xù)波工作60W(1.5GHz，ldB壓縮)，漏效率45(1.5GHz，POUT=PldB)，工作頻率至2.7GHz。近期CREE公司生產(chǎn)的CRF35010性

18、能達(dá)到：工作電壓48V，輸出功率10W，工作頻率3.4-3.8GHz，線性增益10dB；美國正在逐步將這種器件裝備在軍用武器上，如固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、軍事通訊電子系統(tǒng)、高頻電源系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)干擾和威脅信號(hào)預(yù)警等。其中Cree公司的SiC MESFET功率管已經(jīng)正式裝備美國海軍的新一代預(yù)警機(jī)E2D樣機(jī)。近期俄羅斯、歐洲和日本加快發(fā)展，SiC材料生長和器件制造技術(shù)也在不斷走向成熟。國內(nèi)西安電子科技大學(xué)、山東大學(xué)、中電科技集團(tuán)13所、55所和46所、中國科學(xué)院物理研究所以及其它高等院校和研究所有關(guān)單位對九十年代初國際上寬禁帶半導(dǎo)體的進(jìn)展給予高度關(guān)注，在碳化硅材料生長和器件研制方面取得了一定的成績。

19、西安電子科技大學(xué)、電子13所和55所在十一五期間開展了對4H-SiC材料和器件的理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究，制備出了第一批外延和電子器件，實(shí)現(xiàn)了從無到有。在4H-SiC外延材料方面，國外的水平是位錯(cuò)密度小于102cm-2，無微管，遷移率1000-1200cm2Vs(1015cm3)，摻雜濃度5×10121×1020cm3，達(dá)到了實(shí)用化的目的。而國內(nèi)在SiC外延方面剛剛開展工作，與國外先進(jìn)水平有著較大的差距。五十五所的李哲洋等人利用CVD法進(jìn)行外延生長實(shí)驗(yàn)，并對外延材料的缺陷進(jìn)行了觀察，他們觀察到了空洞，微管，微錯(cuò)和孿晶，并且對這些缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。中科院半導(dǎo)體研究所材料中心

20、和蘭州大學(xué)物理學(xué)院曾在2004年和2005年發(fā)表過文章，報(bào)道他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，外延層的非有意摻雜約為1016cm-3，而國外普遍的非有意摻雜濃度約為1014 cm-3，最好的非有意摻雜為濃度5x1012cm-3。而且，他們實(shí)驗(yàn)中外延層的生長速度剛超過3mh，這個(gè)數(shù)值還是比較低的。同時(shí)對材料生長及材料本身的物理特性也缺乏系統(tǒng)研究和認(rèn)識(shí)。2.2 發(fā)展趨勢半導(dǎo)體在電動(dòng)車中的作用更強(qiáng)動(dòng)力電池的成本通常約占整車成本的50%。在汽車使用一段時(shí)間后，電池組中每個(gè)單體電池的老化會(huì)使電池容量出現(xiàn)變化?？刂浦姵爻潆姞顟B(tài)（SoC）、健康狀況（SoH）和放電深度（DoD）的電池管理系統(tǒng)（BMS）可延長電池的壽命和儲(chǔ)電

21、量。英飛凌的主動(dòng)電池均衡技術(shù)可將這些特性提高10%。在充電方面，未來的長期發(fā)展趨勢是雙向充電，即汽車中的電能也可傳回智能電網(wǎng)。具體地，電能在BMS監(jiān)控后，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器、PFC及射頻干擾濾波器，傳給智能電網(wǎng)。英飛凌車廠業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理曹洪宇稱，日產(chǎn)純電動(dòng)車Leaf的充電設(shè)計(jì)就考慮到了這點(diǎn)，由于日本地震頻繁，電池組可在地震發(fā)生后將電能傳回電網(wǎng)，以緩解供電緊缺的壓力。除行駛動(dòng)力外，電動(dòng)汽車的另一重要耗電因素是空調(diào)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此，需優(yōu)化高壓電池輔助系統(tǒng)的電源效率。Graovac表示，英飛凌與30家歐洲廠商和學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)合作發(fā)起了E3Car（高能效電動(dòng)汽車）研究項(xiàng)目，旨在開發(fā)使能效基準(zhǔn)提升

22、35%的技術(shù)。SiC JFET將在2015年底出現(xiàn)  在EV和HEV的逆變器和充電器中，高功率密度、高壓、大電流的IGBT功率模塊可為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供電能。目前英飛凌HybridPACK系列功率模塊在650V高壓下，提供200A、400A、600A和800A的大電流。構(gòu)成IGBT的溝槽和場截止（trench+field-stop）單元很薄，只有40m（見圖2.1），這樣可降低開關(guān)損耗，并將導(dǎo)通阻抗降低8倍。12英寸晶圓的產(chǎn)量是6英寸的4倍。Graovac表示：“隨著開關(guān)頻率的提高，SiC材料的功率半導(dǎo)體器件肯定會(huì)到來。這種器件的特點(diǎn)是：高效、快速、高溫能力強(qiáng)、可靠性高，高

23、壓能達(dá)2500V。SiC JFET可能在2015年底出現(xiàn)，可進(jìn)一步提高逆變器的效率?！盨iC物理特性與SiC JFET結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.1 構(gòu)成IGBT的溝槽和場截止（trench+field-stop）單元示意圖圖2.2 SiC物理特性與SiC JFET結(jié)構(gòu)示意圖在EV和HEV應(yīng)用方面，對開關(guān)頻率在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC充電器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解決方案如圖2.3所示。對高壓、大電流逆變器及開關(guān)頻率在10kHz以上的高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，基于IGBT和SiC的解決方案如圖2.4所示。圖2.3 對開關(guān)頻率

24、在100kHz以上、功率在10kW以下的HV-LV DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC充電器，基于MOSFET/CoolMOS和SiC的解決方案圖2.4 對高壓、大電流逆變器及開關(guān)頻率在10kHz以上的高功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，基于IGBT和SiC的解決方案圖2.5 英飛凌.XT工藝與標(biāo)準(zhǔn)工藝的比較此外，為了把器件結(jié)溫提高到200，英飛凌采用了.XT工藝（見圖2.5），更高的熱性能提高了輸出功率，延長了使用壽命，降低了硅及系統(tǒng)成本。與標(biāo)準(zhǔn)工藝相比，200結(jié)溫在器件壽命相同的情況下，可將單位硅面積的輸出功率提升60%；在輸出功率相同的情況下，可將單位硅面積的壽命延長5倍；在壽命和輸出功率相同的情況下，可

25、將硅面積減少40%；更高溫度的冷卻液能力可不再使用低溫散熱器。最后說一句關(guān)于TPMS（胎壓監(jiān)控系統(tǒng)）的題外話。據(jù)英飛凌工程師在研討會(huì)上介紹，2007年9月，美國TPMS的裝配率已達(dá)到100%。歐洲要求在2014年11月，所有的新車需裝配TPMS。日本預(yù)計(jì)在2016年實(shí)現(xiàn)100%的裝配率。而中國僅在2011年7月實(shí)施了TPMS推薦標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。中國汽車銷售量已達(dá)全球首位，如此多的車輛中，每年都會(huì)發(fā)生大量因爆胎引發(fā)的重大交通事故。而爆胎一旦發(fā)生，車輛極易失控，多是車毀人亡的嚴(yán)重后果。所以有必要在國內(nèi)加快TPMS的強(qiáng)制性要求，提高安裝率，保證駕乘者的生命安全。目前，很多領(lǐng)域都將Si二極管

26、、MOSFET及IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等晶體管用作功率元件，比如供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備、光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)人電腦等。這些領(lǐng)域利用的功率元件的材料也許不久就將被GaN和SiC所替代。例如，SiC已開始用于鐵路車輛用馬達(dá)的逆變器裝置以及空調(diào)等。電能損失可降低50以上利用以GaN和SiC為材料的功率元件之所以能降低電能損失，是因?yàn)榭梢越档蛯?dǎo)通時(shí)的損失和開關(guān)損失。比如，逆變器采用二極管和晶體管作為功率元件，僅將二極管材料由Si換成SiC，逆變器的電能損失就可以降低1530左右，如果晶體管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。有助

27、于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化電能損失降低，發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少，因此可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具備兩個(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性：可進(jìn)行高速開關(guān)動(dòng)作和耐熱性較高。GaN和SiC功率元件能以Si功率元件數(shù)倍的速度進(jìn)行開關(guān)。開關(guān)頻率越高，電感器等構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換器的部件就越容易實(shí)現(xiàn)小型化。耐熱性方面，Si功率元件在200就達(dá)到了極限，而GaN和SiC功率元件均能在溫度更高的環(huán)境下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。這些優(yōu)點(diǎn)源于GaN和SiC具備的物理特性。與Si相比，二者均具備擊穿電壓高、帶隙寬、導(dǎo)熱率高、電子飽和速率高、載流子遷移率高等特點(diǎn)。SiC二極管率先實(shí)用化

28、在GaN和SiC功率元件中，率先產(chǎn)品化的是SiC。尤其是SiC二極管的利用今后似會(huì)迅猛增加。除了2001年最初實(shí)現(xiàn)SiC二極管產(chǎn)品化的德國英飛凌科技外，美國科銳和意法合資公司意法半導(dǎo)體等廠商也已經(jīng)推出了產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢壘二極管（SBD），科銳等部分企業(yè)還推出了組合肖特基結(jié)和pn結(jié)的“JBS（junction barrier schottky）構(gòu)造”二極管?；骞┣笄闆r好轉(zhuǎn)從事SiC二極管的企業(yè)之所以增加，是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供應(yīng)狀況有了好轉(zhuǎn)。比如，結(jié)晶缺陷減少使得SiC基板質(zhì)量提高，而且基板的大口徑化也有了

29、進(jìn)展。口徑為4英寸的產(chǎn)品正逐漸成為主流。2012年還開始樣品供貨6英寸產(chǎn)品，2013年似將有望開始量產(chǎn)。另外，基板廠商的增加引發(fā)了價(jià)格競爭，基板比以前便宜了。從事外延基板（層疊外延層）廠商的增加也降低了涉足SiC二極管業(yè)務(wù)的門檻。除了SiC基板的供應(yīng)狀況好轉(zhuǎn)外，功率Si二極管“與Si晶體管相比，性能提高的余地比較小”（熟知功率元件的技術(shù)人員），這也促使用戶使用SiC二極管。有觀點(diǎn)認(rèn)為，Si二極管雖然構(gòu)造簡單，但相應(yīng)地“性能的提高在日益接近極限，用SiC來取代Si的趨勢今后可能會(huì)增加”（上述技術(shù)人員）。SiC制MOSFET的普及將從溝道型產(chǎn)品開始功率元件用SiC晶體管雖已開始投產(chǎn)，但普及程度還不

30、如二極管，還停留在極少數(shù)的特殊用途。這是由于SiC晶體管的制造工藝比二極管復(fù)雜，成品率低，因而價(jià)格高。并且，雖然速度在減緩，但Si晶體管的性能卻一直仍在提高。與二極管相比，“還有很大的發(fā)展空間”（技術(shù)人員）。就是說，目前可以方便地使用低價(jià)位高性能的Si晶體管。因此，在不斷降低SiC晶體管成本的同時(shí)，發(fā)揮SiC的出色材料特性，追求Si無法實(shí)現(xiàn)的性能，此類研發(fā)正在加速推進(jìn)。SiC晶體管主要有MOSFET、JFET以及BJT三種。其中，最先投產(chǎn)的是JFET。JFET雖然可以降低功率損失，但基本上處于“常閉（Normally On）工作”狀態(tài)（導(dǎo)通狀態(tài)），即使不加載柵極電壓也會(huì)工作。一般情況下，在大功

31、率的電源電路上，多希望實(shí)現(xiàn)不加載柵極電壓就不會(huì)驅(qū)動(dòng)的“常開狀態(tài)”。JFET也有可以實(shí)現(xiàn)常開工作的產(chǎn)品。然而，MOSFET因在原理上易于實(shí)現(xiàn)常開工作，因此很多企業(yè)都在致力于研發(fā)MOSFET?？其J（Cree）和羅姆已經(jīng)投產(chǎn)了MOSFET。但還稱不上是廣泛普及。原因除了價(jià)格高外，還沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。其中導(dǎo)通時(shí)的損失大，為減少導(dǎo)通損失而降低導(dǎo)通電阻的研發(fā)正在進(jìn)行。降低導(dǎo)通電阻的方法是采用在柵極正下方開掘溝道。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，JFET電阻會(huì)增大，導(dǎo)通電阻的降低存在局限性。而溝道型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。

32、因此，適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻。雖然溝道型可以降低導(dǎo)通電阻，但由于要在柵極正下方挖掘溝道，因此量產(chǎn)程度難于平面型。所以尚未投產(chǎn)。最早估計(jì)2013年羅姆等的產(chǎn)品將面世。GaN類功率元件可通過使用硅基板降低成本GaN在LED及半導(dǎo)體激光器等發(fā)光元件及基站用高頻元件用途上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，而功率元件用途的產(chǎn)品化才剛剛開始，落后于SiC。但這種情況也在變化。那就是制造成本的降低和電氣特性的快速提高。GaN類功率元件之所以能夠降低成本，是因?yàn)榭衫脙r(jià)格低而口徑大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口徑產(chǎn)品。比如，美國EPC公司及美國IR就使用硅基板，通過形成外延層而推出了GaN類功率元件產(chǎn)品。

33、對運(yùn)行時(shí)導(dǎo)通電阻會(huì)上升的“電流崩塌”現(xiàn)象的抑制、耐壓等電氣特性的提高也在取得進(jìn)展。以耐壓為例，盡管產(chǎn)品一般低于200V，但也有超過了1kV的研發(fā)品。目前，投產(chǎn)GaN類功率元件的企業(yè)還很少，但預(yù)計(jì)從2012年會(huì)開始逐漸增加。而且，2015年前后，結(jié)晶缺陷減少至可用于功率元件用途的水平、口徑高達(dá)6英寸的GaN基板很可能會(huì)面世。如果在GaN基板上形成GaN類功率元件，便可比使用硅基板等不同種材料的功率元件更易提高電氣特性GaN和SiC將區(qū)分使用2015年，市場上或許就可以穩(wěn)定采購到功率元件用6英寸SiC基板。并且，屆時(shí)GaN類功率元件除了硅基板之外，還有望使用GaN基板。也就是說，2015年前后，S

34、iC制功率元件與GaN類功率元件就均可輕松制造了。在對大幅減少電力轉(zhuǎn)換器中的電力損失以及縮小電力轉(zhuǎn)換器尺寸有強(qiáng)烈要求的用途方面，估計(jì)會(huì)采用SiC及GaN。兩種元件最初將根據(jù)使用終端的電力容量及開關(guān)頻率區(qū)分使用。GaN將主要用于中低容量用途，SiC將主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更適合高速開關(guān)動(dòng)作，因此要求更高開關(guān)頻率的用途估計(jì)會(huì)采用GaN。SiC功率元件有望降低成本，SBD或?qū)⒔抵凉瓒O管的兩倍與硅制功率半導(dǎo)體元件相比，SiC制功率元件的電力損失小，可以高速開關(guān)，而且耐熱性高等，性能更加出色。SiC制肖特基二極管（SBD）于2001年投產(chǎn)，SiC制MOSFET于2010年投產(chǎn)，

35、其中SiC制SBD已被配備于空調(diào)及鐵路車輛用逆變器等，SiC制功率元件的采用正在逐步擴(kuò)大。新日本制鐵開發(fā)的6英寸SiC基板但SiC制功率元件要進(jìn)一步普及到混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車等電動(dòng)車輛、工業(yè)設(shè)備以及白色家電的電源電路等領(lǐng)域，價(jià)格及性能方面還存在課題。SBD仍十分昂貴，SiC制MOSFET不僅價(jià)格高，而且沒有完全發(fā)揮出SiC的出色材料特性。不過，有助于解決這些問題的研究成果接連問世（下表）。氧化鎵比SiC耐壓高且損耗低 “實(shí)際上Ga2O3是很有意思的材料”（熟知功率半導(dǎo)體元件的研究人員）。與正作為新一代功率半導(dǎo)體材料而在推進(jìn)開發(fā)的SiC（碳化硅）及GaN（氮化鎵）相比，因有望以低成本制造出高耐壓

36、且損耗低的功率半導(dǎo)體元件（以下稱功率元件），作為氧化鎵一種的型Ga2O3吸引了眾多目光。契機(jī)是日本信息通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）、田村制作所及光波公司共同開發(fā)出的型Ga2O3晶體管（此外，還有采用EFG法制成的2英寸見方基板）。具體就是把肖特基結(jié)型金屬用作柵極電極的“MESFET”（金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，metal-semiconductor field effect transistor）。此次的部分開發(fā)是通過NEDO的委托業(yè)務(wù)“節(jié)能革新技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)研究超高耐壓氧化鎵功率元件的研發(fā)”實(shí)施的。基板制造由田村制作所與光波公司負(fù)責(zé)，外延層形成由京都大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)及田村制作所負(fù)責(zé)，工藝由NI

37、CT負(fù)責(zé)。盡管該晶體管采用不形成保護(hù)膜（鈍化膜）的簡單構(gòu)造，但耐壓卻高達(dá)257V，漏電流僅為5A/mm?！氨緛硎潜е芄ぷ骶涂梢缘钠谕圃斓?，但結(jié)果卻好得超出了想象。這是只有氧化鎵才能實(shí)現(xiàn)的值”，NICT未來ICT研究所超高頻ICT研究室主任研究員東脅正高開心地表示。材料性質(zhì)比SiC及GaN還要出色比SiC或GaN耐壓高且損耗低的功率元件之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)槠洳牧闲再|(zhì)參數(shù)比兩種材料都要出色。其中，帶隙和絕緣破壞電場較大。圖2.6 NICT等利用型Ga2O3試制出了晶體管（a、b）。盡管構(gòu)造簡單，但耐壓高達(dá)257V（c）。（a）的圖片來自于NICT等）在Ga2O3中，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的是型，其

38、帶隙為4.84.9eV。該數(shù)值是硅的4倍以上，而且高于3.3eV的SiC和3.4eV的GaN。絕緣破壞電場為8MV/cm左右，相當(dāng)于硅的20倍以上、SiC或GaN的兩倍以上。圖2.7 型Ga2O3的帶隙及絕緣破壞電場特別大，低損耗性指標(biāo)“Baliga性能指數(shù)”較高（a）。因此，制造相同耐壓的功率元件時(shí)，型Ga2O3與GaN或SiC相比，導(dǎo)通電阻會(huì)變?。╞）。因此，從理論上來說，制造相同耐壓的單極性功率元件時(shí)，型Ga2O3與SiC或GaN相比，可以減小導(dǎo)通電阻（圖2.7（b）。而導(dǎo)通電阻的降低，有助于減少電源電路中的電力損耗。耐壓上也有望超過SiC。比如，通過設(shè)置形成保護(hù)膜來減輕電場向柵極集中的

39、“場板”的單極晶體管，“估計(jì)可達(dá)到3k4kV”（NICT的東脅）。而單極元件SiC制MOSFET的耐壓一般為1kV左右，提高了耐壓的雙極元件“應(yīng)該也很難達(dá)到3kV以上”（東脅）。-Ga2O3還有一個(gè)特點(diǎn)，就是在制作基板時(shí)可采用“FZ（floating zone，懸浮區(qū)熔法）”及“EFG（edge-defined film-fed growth，導(dǎo)模法）”等溶液生長法，這兩種生長法能夠以低成本量產(chǎn)結(jié)晶缺陷少且口徑大的基板。FZ法及EFG法已被實(shí)際用于藍(lán)寶石基板的制造。藍(lán)寶石基板是制作藍(lán)色LED芯片的基板，特點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)晶缺陷少，而且大尺寸產(chǎn)品的口徑可達(dá)到68英寸。而SiC基板及GaN基板一般

40、采用氣相法制造，所以減少結(jié)晶缺陷以及擴(kuò)大口徑都較為困難。此次試制的晶體管使用的Ga2O3基板就是采用FZ法制成的，但外形尺寸還很小，只有6mm×4mm注1）?！皩碇圃炜趶綖?英寸的Ga2O3基板時(shí)，估計(jì)成本可降至1萬日元左右。SiC基板是無法做到如此便宜的”（NICT的東脅）。此外，Ga2O3基板能夠以低于SiC或GaN的溫度在基板上形成外延層，所以有助于降低制造時(shí)的耗電量并削減設(shè)備成本。如果采用名為“Mist CVD法”的方法，生長溫度還不到500注2）。而GaN或SiC一般需要1000以上的溫度。此次試制的晶體管進(jìn)行外延層生長時(shí)采用了MBE法。首先從制造MOSFET開始Ga2O

41、3中隱藏著巨大的潛力，但研發(fā)的全面目前才剛剛開始。試制出的晶體管不僅耐壓、輸出電流及電流的導(dǎo)通/截止比都還達(dá)不到要求，漏電流也較大，而且還存在常閉工作等課題注3）。但“與采用GaN的功率元件的開發(fā)初期相比，估計(jì)解決課題所花費(fèi)的時(shí)間會(huì)較短。目前已找到形成保護(hù)膜等解決問題的頭緒”（NICT的東脅）。此外，還存在難以制成p型晶體管的課題，但功率元件使用的是n型，所以問題不大。據(jù)NICT介紹，當(dāng)前的目標(biāo)是在2015年之前利用Ga2O3制造出口徑為4英寸的基板和MOSFET，2020年的目標(biāo)是開始作為功率元件進(jìn)行小規(guī)模量產(chǎn)。2.3 國家政策國家政策支持，中國功率半導(dǎo)體將迎來黃金發(fā)展期據(jù)中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)

42、的相關(guān)人士透露，有關(guān)促進(jìn)集成電路發(fā)展的綱要性文件已草擬完畢，目前正在進(jìn)行部際協(xié)調(diào)。上證報(bào)資訊獲悉，政策扶持的重點(diǎn)將主要集中于集成電路的設(shè)計(jì)和制造方面，尤其是本土自主核心產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)，功率半導(dǎo)體將迎來重要戰(zhàn)略機(jī)遇期和黃金發(fā)展期。功率半導(dǎo)體是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，被大量應(yīng)用于消費(fèi)類電子、新能源汽車、光伏發(fā)電、風(fēng)電、工業(yè)控制和國防裝備。2013年以來我國大部分地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)，在這種背景下，大規(guī)模使用功率半導(dǎo)體來提高能源效率、促進(jìn)節(jié)能減排，也成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重要方向。半導(dǎo)體功率器件的產(chǎn)品門類非常廣，主要包括功率MOS晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、快恢復(fù)二

43、極管（FRD），以及尚未得到大規(guī)模應(yīng)用的采用SiC和GaN的新一代功率半導(dǎo)體。據(jù)矢野經(jīng)濟(jì)研究所的統(tǒng)計(jì)，未來7年間，全球功率半導(dǎo)體銷售額的復(fù)合增長率三倍于整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)3%的營收增速。從國內(nèi)的情況來看，隨著全球空調(diào)、節(jié)能電機(jī)等電子產(chǎn)品產(chǎn)能向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，功率半導(dǎo)體的需求也成倍的增加，僅IGBT產(chǎn)品的需求規(guī)模已經(jīng)超過100億元，并且國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)格力電器等消費(fèi)IGBT模塊超過10億元的企業(yè)，我國已成為全球最大的功率半導(dǎo)體器件消費(fèi)市場。IGBT器件仍然嚴(yán)重依賴于國外公司，國產(chǎn)產(chǎn)品市場占有率不足10%。面對這種狀況，國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)關(guān)于IGBT的項(xiàng)目紛紛獲得政府補(bǔ)助，去年12月2日、23日，臺(tái)基股份的IGBT

44、產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目連續(xù)獲得專項(xiàng)資金扶持，12月31日，士蘭微公告其“高壓IGBT芯片工藝技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目獲得國家專項(xiàng)資金扶持。士蘭微在國家科技重大專項(xiàng)（研發(fā)多芯片功率模塊）的支持下，已成功地完成了高壓MOSFET、600V-1200VIGBT、FRD、600V-1200V高壓驅(qū)動(dòng)集成電路、功率模塊等新技術(shù)新產(chǎn)品的研發(fā)，相關(guān)的產(chǎn)品已陸續(xù)開始投入市場，展現(xiàn)了很好的市場前景?？脐戨娮幼鳛橹悄茈姳硇袠I(yè)的龍頭企業(yè)，積極拓展智能電網(wǎng)、節(jié)能減排和新能源等多個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為節(jié)能減排領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，也是發(fā)改委重點(diǎn)扶持的IGBT應(yīng)用的重點(diǎn)探索企業(yè)。公司在2011年獲得科技部的專項(xiàng)資金用于碳化硅及硅基IGBT多芯片串

45、聯(lián)模塊研發(fā)和測試平臺(tái)的建立。華微電子自主研發(fā)的IGBT產(chǎn)品以及改進(jìn)后的可控硅產(chǎn)品，也取得了一定程度的市場進(jìn)展，開發(fā)出一些較大應(yīng)用客戶群。此外，第三代MOSFET產(chǎn)品和TRENCH工藝平臺(tái)，在市場上得到了較高的認(rèn)可度。2.4 市場前景在未來十年，受電源、光伏（PV）逆變器以及工業(yè)電動(dòng)機(jī)的需求驅(qū)動(dòng)，新興的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體市場將以18%的驚人速度穩(wěn)步增長。據(jù)有關(guān)報(bào)告稱，至2022年SiC和GaN功率半導(dǎo)體的全球銷售額將從2012年的1.43億美元增加到28億美元。據(jù)預(yù)測，未來十年這一市場的銷售額將實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的年增長率，見下表。SiC肖特基二極管已存在十多年，SiC金氧半場

46、效晶體管（MOSFET）、結(jié)晶性場效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極型晶體管（BJT）在最近幾年出現(xiàn)。GaN功率半導(dǎo)體則剛剛進(jìn)入市場。GaN是一種擁有類似于SiC性能優(yōu)勢的寬帶隙材料，但擁有更大的成本控制潛力。據(jù)分析師預(yù)測，氮化鎵上硅設(shè)備與硅MOSFET、IGBT或整流器將在2019年實(shí)現(xiàn)平價(jià)和同等性能，至2022年GaN功率市場銷售額將超過10億大關(guān)。SiC肖特基二極管在2012年的銷售額超過1億美元，是目前最暢銷的SiC或GaN設(shè)備。至2022年這一數(shù)字將增加近一倍。到那時(shí)，SiCMOSFET銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到4億美元，超越肖特基二極管成為最熱賣的離散電源設(shè)備類型。雖然可靠性、價(jià)格及性能相近，Si

47、CJFET和SiCBJT各自的銷售額預(yù)計(jì)僅達(dá)到SiCMOSFET的一半。雖然IHS預(yù)測SiC和GaN市場未來幾年增長強(qiáng)勁，但與一年前相比，這一預(yù)測已是大打折扣了。這一變化的主要原因在于，全球經(jīng)濟(jì)的低迷現(xiàn)狀使市調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)低了對功率組件設(shè)備的出貨量預(yù)測。SiC采用率預(yù)測也被大幅調(diào)低，因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格并未如此前預(yù)測那樣快速下跌。相比之下，業(yè)界對GaN技術(shù)的信心有所提高，越來越多公司已宣布進(jìn)行GaN研發(fā)。例如Transphorm已成為首家獲得氮化鎵上硅設(shè)備JEDEC資格的公司三、 國內(nèi)外主要廠家與產(chǎn)品分析6”襯底Dow corningLPEInfineonToshiba瀚天天成天域華進(jìn)(4”)厚度不均勻性（

48、/mean）2%0.3%-2%5%5%摻雜濃度不均與性（/mean）3%1.7%-17%15%8%生長速率（m/h）-20-20表面粗糙度(rms)（nm）0.4-0.2-0.5%上表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)除華進(jìn)外，其他均為6英寸外延片。因?yàn)榭捎脭?shù)據(jù)有限，所以只做簡單分析。國內(nèi)廠家摻雜濃度不均性、厚度不均勻性均較高，較國外差距較大。四、 行業(yè)國內(nèi)外的生產(chǎn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)SiC同質(zhì)外延暫時(shí)沒有國家或者國際通用標(biāo)準(zhǔn)，各公司有各自的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，主要是從厚度、厚度不均勻性、摻雜濃度、摻雜濃度不均勻性、表面粗糙度等方面進(jìn)行考量。部分標(biāo)準(zhǔn)請見上表。（其他資料暫無）五、 行業(yè)核心技術(shù)與難點(diǎn)技術(shù)分析一些高壓雙極性器件，需外延膜的

49、厚度超過 50m,摻雜濃度小于 2×1015cm-3,載流子壽命大過 1us。對于高反壓大功率器件，需要要在 4H-SiC 襯底上外延一層很厚的、低摻雜濃度的外延層。為了制作 10KW 的大功率器件，外延層厚度要達(dá)到 100m以上。高壓、大電流、高可靠性 SiC 電子器件的不斷發(fā)展對 SiC 外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通過進(jìn)一步深入的研究提高厚外延生長技術(shù)。在研究現(xiàn)狀方面，在不含氯氣體的水平熱壁 CVD 中，最高生長速度可達(dá)到20m/h，可重復(fù)生長速度 15m/h。國外使用 HTCVD 在 2200下生長速度可達(dá)220m/h，同時(shí)得到的外延層的質(zhì)量也較好。使用垂直熱壁CVD在

50、溫度1700-1800的條件下，生長速度一般達(dá) 50-70m/h。美國的 CREE 公司使用 6× 150mm 的熱壁行星氣相反應(yīng)爐，如圖 1.3 所示。增大了外延片的產(chǎn)量。生長速度達(dá) 20m/h，加熱和降溫時(shí)間小于兩小時(shí)。外延片表面具有鏡面效果，缺陷密度 0-4cm-2。在 6 英寸的襯底上生長了 115m厚的外延層。美國陶氏化學(xué)公司在 3 英寸 4°偏角的襯底上長出的 80-100m外延層，RMS小于 1nm，缺陷密度 5-6cm-2，長載流子壽命為 2-4us，BPD 密度為 10-50cm-2,摻雜濃度 1015cm-3。美國的弗羅里達(dá)大學(xué)使用水平熱壁 CVD，使用

51、 Cree 公司 8°的 4H-SiC 襯底，在 1530-1560的溫度，150torr 的壓強(qiáng)下，生長速率達(dá)到了 32m/h，最小粗糙度 0.27nm，半高寬值最小僅 11arc sec。瑞典林雪平大學(xué)，以 SiH4、C2H4混合 HCl，以 25m/h的速率長出了 100m的外延層，其摻雜濃度達(dá)到了 1014cm-3等級(jí)。該大學(xué)還采用一種含 HCl 的原位刻蝕方法，以 100m/h的速率生長出了無缺陷的有鏡面效果的外延層，其 RMS 達(dá)到了8.9Å。日本中央電力研究院采用了垂直熱壁系統(tǒng)，在 4H-SiC(0001)面生長出了大面積均勻性好的外延片，外延片在 1650具

52、有鏡面效果，其最大速率 250m/h。在79m/h的速率生長的外延層，厚度均勻性為 1.1%，摻雜濃度均勻性 6.7%。日本電子科學(xué)與工程院采用垂直熱壁 CVD，在 4H-SiC 的<1120>偏 8°襯底上生長外延層，生長速率 25-60m/h，通過控制刻蝕工藝，獲得了表面鏡面效果。刻蝕時(shí),在 1200時(shí)加入丙烷，1300時(shí)加入硅烷。最低的施主雜質(zhì)達(dá)1013cm1。SiC 厚外延存在的問題1)CVD 是 SiC 外延主要的技術(shù)手段，但其常用的生長速率僅 5m/h，要得到50m/h 厚的外延層，外延生長最少要 10 個(gè)小時(shí)。長時(shí)間的生長，明顯會(huì)增加制造SiC 器件的周期和

53、成本。與此同時(shí)，長時(shí)間的生長，也會(huì)使得生長條件增加不確定性，使外延層的表面質(zhì)量不能保證。2)國外的厚膜外延生長，大多通過在反應(yīng)中加入 HCl 等含氯氣體使生長速率明顯地提高，而本文的研究對象為不含氯氣體，生長溫度受限，生長速率的提高受限，同時(shí)很難保證在提高外延速率的同時(shí)，外延薄膜的表面形貌、摻雜濃度及均勻性等參數(shù)不惡化。所以如何在生長速度和質(zhì)量控制方面取得一個(gè)好的平衡點(diǎn)是一個(gè)難點(diǎn)。六、 當(dāng)前行業(yè)主流裝備介紹外延生長通常也簡稱外延，是半導(dǎo)體材料和器件制造的重要工藝之一。所謂外延生長，就是在一定條件下在單晶基片表面上淀積一層單晶薄膜的過程，所生長的單晶薄膜成為外延層。絕大部分的SiC半導(dǎo)體器件是制

54、作在不同摻雜濃度的外延層上的。根據(jù)襯底的材料，SiC的外延可以分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。由于Si與SiC的晶格失配和熱失配相差很大(分別為 20%和 8%), 使得以Si為襯底生長出的SiC單晶薄膜的質(zhì)量較差,一般情況下，含有大量失配應(yīng)力引起的缺陷。這些缺陷的存在在很大程度上提高了半導(dǎo)體中載流子的復(fù)合幾率，使得載流子的壽命大大減小，嚴(yán)重影響了器件特性。隨著SiC單晶生長技術(shù)的突破和成熟，目前多采用以SiC為襯底的同質(zhì)外延生長，使外延薄膜質(zhì)量有很大提高。另一方面，以更合適的材料取代Si作為襯底的異質(zhì)外延生長SiC的研究工作也受到重視。外延生長出的薄膜質(zhì)量比較高，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)利用外延生長可以解

55、決高韻集電極擊穿電壓和小的集電極串聯(lián)電阻的缺陷，為制造高頻大功率晶體管創(chuàng)造了條件。2)利用鄉(xiāng)延技術(shù)可以在樹底的指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行外延生長即進(jìn)行選擇性外延生長，這為集成電路和某些特殊結(jié)構(gòu)器件的研制提供了條件。3)努延技術(shù)可以控制雜質(zhì)分布，這種分布可以是突變的，也可以是漸變的。4)可以生長異質(zhì)薄層、超薄層以及組分可變的外延層，這為創(chuàng)造多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件提供了便利的條件。5)可在低于襯底熔點(diǎn)下，制備半導(dǎo)體薄膜，為新材料和器件的發(fā)展開辟了途徑。由于外延生長具有種種優(yōu)點(diǎn)，對于它的研究就具有重要的意義。通過什么樣的外延生長工藝可以生長出質(zhì)量高的外延層，也成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。生長 SiC 晶體的方法很多，包括高溫

56、升華法(PVT)、化學(xué)氣相淀積(CVD)、液相生長外延(LPE)、分子束外延生長(MBE)、電子回旋共振等離子化學(xué)氣相淀積(ECR-MPCVD)等方法，其中 CVD 生長技術(shù)比較常用，其特點(diǎn)是生長溫度低、生產(chǎn)批量大、薄膜均勻性好、容易控制等。 6.1 高溫升華法圖6.1示意地表達(dá)了高溫升華法生長SiC晶體常用的二種典型生長裝置和基本原理示意圖。二種裝置的根本差別在于堪鍋結(jié)構(gòu)，作為SiC升華源的多晶SiC粉置于筒狀石墨堪鍋的下部，并保持在其升華溫度(2400 0C)的高溫狀態(tài)下。自高溫固態(tài)源升華出來的SiC氣體在溫度梯度(T2-T1)下經(jīng)擴(kuò)散傳輸?shù)狡鹱丫ё饔玫牡蜏匾r底上實(shí)現(xiàn)外延生長。生長系統(tǒng)的關(guān)

57、鍵在十精密控制升華源與籽晶之間的溫度梯度，因而熱場的設(shè)計(jì)與控制尤為關(guān)鍵。圖6.1高溫升華法典型生長裝置示意圖 生長中多晶SiC粉置十筒狀堪鍋的下部，并在高溫下升華為氣態(tài)C-Si原子團(tuán)，直接擴(kuò)散到起籽晶作用的低溫襯底上，實(shí)現(xiàn)在襯底上的外延生長。調(diào)整堪鍋與感應(yīng)線圈在軸線方向上的相對位置可以改變溫度分布及升華源與籽晶襯底之間的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)生長速率的控制。升華法SiC生長過程的控制，關(guān)鍵在于對升華氣體的分壓，特別是Si原子分壓的精確控制。迄今為止，利用升華法制備的SiC晶體基本上都是。-SiC，主要是6H-SiC，也有4H-SiC。由于生長過程中工藝參數(shù)如生長氣氛及各自分壓的選擇，升華源與襯底之

58、間的距離，籽晶與升華源之間的溫度梯度等難于精確控制，因此晶型的控制是生長過程中關(guān)鍵而困難的技術(shù)。Tairov指出，晶體生長的最初階段對于晶型的控制是關(guān)鍵。選擇合適的襯底溫度Tsb和源溫度Ts.的范圍以及襯底的裸露原子面(C面或Si面)，可以控制生長的晶型，例如采用6H-SiC（0001）的C面作為襯底，對于Ts=2200 0C可得到6H-SiC，Ts=2300 0C時(shí)可得到4H-SiC。通過籽晶生長條件的選擇控制，也可以在6H-SiC襯底上生長-SiC。6.2 液相外延法液相外延生長半導(dǎo)體材料的基本思路是溶液中溶質(zhì)的結(jié)晶現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)事固體生長層與液相平衡是使溶質(zhì)趨于飽和。SiC的液相外延生長通常在以熔融硅為溶劑、以碳為溶質(zhì)的飽和溶液中進(jìn)行的，其生長條件取決于Si-C系統(tǒng)的相圖。由于C及SiC都不存在液相，因此C及SiC在Si熔體中的溶解度是SiC液相外延的關(guān)鍵。為了提高C在Si