第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术

第三代半导体材料碳化硅发展历程及制备技术,第1张

本文说说碳化硅的那些事。 碳化硅材料的发展 历史 比较久远,1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热,制备出了小尺寸碳化硅晶体,但存在大量缺陷。 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管;1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大,碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用,到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法,碳化硅材料再次焕发生机。 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法,可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世;1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法;1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点:第一是晶圆尺寸实现大尺寸化,Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化,并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降,比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下,穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现,除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET,还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追,中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平,衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破,并积极向8英寸推进;山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构,每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等,其中4H和6H实现产业化: 总体上相比氮化镓和硅等,碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等,可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。 在具体应用方面,碳化硅主要实现了以下应用:第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED;第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造,比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET;第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造;第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT;第五是在SiC-IGBT上有所突破,实现了P沟道IGBT的制造。 在碳化硅材料制备上,1955年飞利浦提出了Lely法,也称升华法。Lely法的基本原理是:在空心圆筒状石墨坩埚中(最外层石墨坩埚,内置多孔石墨环),将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度,碳化硅在此温度下分解与升华,产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度,这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低,晶核难以控制,而且会形成不同结构,尺寸也有限制。 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法,其中以改进Lely法为主流。 改进Lely法也称物理气相传输法PVT,是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉,在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向: 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中,为了制备符合要求的碳化硅单晶,降低微管、位错密度等缺陷,会对籽晶的籽晶面等适当微调,在此不再展开。 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分,按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分,无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底,器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米,制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂,但随着掺杂浓度提高,单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶,所用的单晶炉有两套加热系统,其中上部加热系统与普通Lely法相同,主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度;下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整,可以实现有效的氮、铝共掺杂。 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD,以后再说。

易车讯 日前,我们从相关渠道获悉,在第三代半导体碳化硅器件的帮助下,可以让当前的新能源车实现充电10分钟,行驶400公里,能耗降低50%的目标,目前中国电子科技集团旗下的多种规格碳化硅器件,已经在新能源车载充电装置上实现了批量应用。

根据中国电子科技集团专家的介绍,新能源汽车如果用传统的第一代半导体器件,充电时间需要半个小时以上,而采用了第三代半导体碳化硅器件以后,可以实现充电10分钟行驶400公里。

碳化硅器件是新能源汽车车载充电装置所需的关键元器件,2020年以前,这类器件完全依赖进口,而现在,中国电科的碳化硅器件,装车量已经达到100万台。

据悉,以碳化硅为代表的第三代半导体被称为“绿色”半导体,目前中国电科的第三代半导体器件实现了从研发到商用的转型,它的器件节能性是硅器件的4倍,可以使新能源汽车能耗降低50%,特高压电网损耗降低60%,轨道交通功率器件系统损耗降低20%以上。

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