前些日子爆出華為旗下的哈勃科技公司投資了山東天岳先進材料科技有限公司，持股10%。（注：山東天岳是我國第三代半導體材料碳化硅龍頭企業。）小編細細品讀著新聞標題“華為投資第三代半導體材料公司，得碳化硅者得天下？”不禁眉頭一緊，心生疑惑，碳化硅到底何方“妖魔鬼怪”，能有這樣的能耐？隨即一拍大腿，本期的“芯詞典”主角就是你了——碳化硅。
眾所周知，所謂半導體材料是具有半導體性能，能夠用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。常見的半導體材料分為元素半導體和化合物半導體兩大類。元素半導體：單一元素組成的半導體。例如第一代半導體材料，鍺、硅等；化合物半導體：由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質。例如碳化硅，氮化鎵（GaN）。
目前半導體材料已經發展到第三代。相比于第一二代，具有高熱導率、高擊穿場強等優點，應用前景廣泛，能夠降低50%以上的能量損失，最大可使裝備體積縮小75%以上。作為第三代半導體材料中的重要一員，碳化硅有著怎樣屬于它的故事呢？
什么是碳化硅？
碳化硅（SiC）又名金剛砂，乍一聽想必它與金剛石有點淵源，事實還真是如此。1891年美國人艾奇遜在進行電熔實驗時偶然發現了這種碳化物，誤以為是金剛石的混合體，便賜它“金剛砂”一名。
碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物。自然界中也存在天然SiC礦石（莫桑石），然而因其極其罕見，僅僅存在于年代久遠的隕石坑內，所以市面上的碳化硅絕大多數都是人工合成物。純的SiC晶體是無色透明物，工業生產出的碳化硅由于其含有鐵等雜質，往往呈現黑色或綠色。
優勢
目前已發現的碳化硅同質異型晶體結構有200多種，其中六方結構的4H型SiC（4H-SiC）具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優勢，是制造高壓、高溫、抗輻照功率半導體器件的優良半導體材料，也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟的第三代半導體材料。
來源：中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟
性能特征注解：
禁帶寬度：禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性能越好。禁帶寬度與發光波長成反比。
電子遷移率：數值越大，電流承載能力以及高頻、高速信號處理能力越強。
飽和電子漂移速度：結合相對介電常數，兼具高電子飽和漂移速度與低介電常數的半導體材料具有更高的頻率特性。
熱導率：數值越大，散熱能力越強。
與第一代半導體材料硅等單晶半導體材料相比，碳化硅具有以下優勢：
（1）臨界擊穿電場強度是硅材料近10倍；
（2）熱導率高，超過硅材料的3倍；
（3）飽和電子漂移速度高，是硅材料的2倍；
（4）抗輻照和化學穩定性好；
（5）與硅材料一樣，可以直接采用熱氧化工藝在表面生長二氧化硅絕緣層。
如何生產？
碳化硅作為一種半導體材料，對于半導體產業鏈而言，主要包括襯底——外延片——芯片、器件、模塊——應用這幾個部分。
襯底（SiC晶片）
目前SiC襯底的制備過程大致分為兩步，第一步制作SiC單晶；第二步通過對SiC晶錠進行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無損傷層、低粗糙度的SiC晶片。
現階段，制備SiC單晶的方法有籽晶升華法、高溫化學氣相沉積法（HTCVD）和液相法（LPE），不過后兩種方法目前還不成熟。籽晶升華法，又稱物理氣相傳輸法（PVT)。其原理是在超過2000 ℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質，在溫度梯度的驅動下，這些氣相物質將被輸運到溫度較低的碳化硅籽晶上形成4H型碳化硅晶體。通過控制PVT的溫場、氣流等工藝參數可以生長特定的4H-SiC晶型。
(來源：2014·LED配套材料產業發展交流對接會）
外延材料
與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上。必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。目前，主要的外延技術是化學氣相沉積（CVD），通過臺階流的生長來實現一定厚度和摻雜的碳化硅外延材料。隨著碳化硅功率器件制造要求和耐壓等級的不斷提高，碳化硅外延材料不斷向低缺陷、厚外延方向發展。近年來，薄碳化硅外延材料（20 μm以下）的質量不斷提升，外延材料中的微管缺陷已經消除。隨著外延生長技術的進步，外延層厚度也從過去的幾μm、十幾μm發展到目前的幾十μm、上百μm。
國際上碳化硅外延材料技術發展迅速，最高外延厚度達到250 μm以上。其中，20 μm及以下的外延技術成熟度較高，表面缺陷密度已經降低到1個/cm2以下，位錯密度已從過去的105個/cm2，降低到目前的103個/cm2以下，基平面位錯的轉化率接近100 %，已經基本達到碳化硅器件規?；a對外延材料的要求。近年來國際上30 μm~50 μm外延材料技術也迅速成熟起來，但是由于受到市場需求的局限，產業化進度緩慢。目前批量碳化硅外延材料的產業化公司有美國的Cree、Dow Corning，日本昭和電工（Showa Denko）等。
器件
碳化硅半導體功率器件主要包括二極管和晶體管兩大類。其中二極管主要有結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等。
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中關注度非常高的器件。碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況，具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上擁有巨大優勢。
另一個高關注度的器件是碳化硅結型場效應晶體管（JFET），JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發展較快的碳化硅器件之一，并且率先實現了商業化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩定性和可靠性。
總體來看，碳化硅器件優點顯著。具有更高的性能和工作電壓，更高的工作頻率和更高的工作溫度，并且更加容易驅動。
來源：根據意法半導體資料整理
功率模塊
為了進一步提升碳化硅功率器件的電流容量，通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進行并聯集成封裝。碳化硅功率模塊首先是從由硅IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產品發展起來的。隨著SiC MOSFET器件的成熟，Wolfspeed、Infineon、三菱、Rohm等公司開發了由SiC JBS二極管和MOSFET組成的全碳化硅功率模塊。目前國際上的碳化硅功率模塊產品最高電壓等級3300 V，最大電流700 A，最高工作溫度175 ℃。在研發領域，全碳化硅功率模塊最大電流容量達到1200 A，最高工作溫度達到250 ℃，并采用芯片雙面焊接、新型互聯和緊湊型封裝等技術來提高模塊性能。
碳化硅器件應用廣發，主要涉及智能電網、軌道交通、電動汽車、通訊電源等多個領域。
市場前景
目前，全球碳化硅市場基本被國外企業所壟斷，主要公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %?？傮w來看，美國居于領導地位，占有全球SiC產量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈；日本則是設備和模塊開發方面的絕對領先者。
國內部分相關企業
與此相比，國內還有比較大的差距。單晶襯底方面，國內襯底以4英寸為主，目前，已經開發出了6英寸導電性SiC襯底和高純半絕緣SiC襯底。據CASA數據，山東天岳、天科合達、河北同光、中科節能均已完成6英寸襯底的研發，中電科裝備研制出6英寸半絕緣襯底。碳化硅功率器件方面，我國以二極管產品為主，也有部分企業具有開發晶體管產品的能力，但是尚未實現產業化。基于我國成熟的硅基功率模塊的封裝技術和產業，我國碳化硅功率模塊的產業化水平緊跟國際先進水平。但是，由于國內SiC MOSFET芯片產品尚未實現產業化，我國開發碳化硅功率模塊產品中的MOSFET芯片絕大多數采用進口芯片。
不過，隨著國際上碳化硅功率器件技術的進步以及制造工藝從4英寸升級到6英寸，器件產業化水平不斷提高，碳化硅功率器件的成本也在慢慢下降。Yole預計，全球SiC功率半導體市場將從2017年的3.02億美元，快速成長至2023年的13.99億美元，年復合成長率達29%。到2020年市場規模達到35億元人民幣，并以40 %的復合年均增長率繼續快速增長。
來源：Yole
DIGITIMES Research副總監黃銘章指出，2019年全球最大的SiC晶圓供應商Cree決定投資10億美元，大幅擴充包括SiC及氮化鎵（GaN）相關產能，預計在2024年將SiC晶圓制造能力提高至30倍，以滿足多家廠商對SiC材料的需求，另外，日本廠商也積極投入功率半導體的投資。不過，黃銘章表示，盡管SiC來勢洶洶，但由于其成本遠高于硅基（Si-based）材料功率半導體，因此未來10年內電動車功率半導體市場主流仍將是傳統硅基材料元件。
此外，Yole Développement的分析師Hong Lin表示：“當人們討論SiC功率器件時，汽車市場無疑是焦點。豐田和特斯拉等先驅企業的SiC活動給市場帶來了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車市場具有潛力。但仍存在一些挑戰，比如成本、長期可靠性和模塊設計?！?/p>
問題與挑戰
正如Hong Lin所說，雖然SiC功率器件在汽車市場潛力巨大，但是仍存在挑戰一樣。SiC功率器件在生產與應用過程中還是有不少的挑戰與問題有待我們不斷去克服和完善：
1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術發展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優質晶片的微管密度已達到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。
2，外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。
3，摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜，碳化硅擴散溫度遠高于硅，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩定，因此不宜采用擴散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質處于未激活狀態的情況都比較嚴重，往往要在相當高的襯底溫度下進行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質選擇到退火溫度的一系列工藝參數都還需要優化。
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