如果硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎，砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料奠定了信息產(chǎn)業(yè)的基礎，那么以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料將是提升新一代信息技術(shù)核心競爭力的重要支撐。憑借禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大等特性，SiC器件備受期待，但工藝和成本成為其普及的障礙。不過，在可以預見的未來，我們將看到SiC對電動汽車行業(yè)產(chǎn)生的革命性影響，電動汽車也將引領SiC器件的普及。

　　SiC材料優(yōu)勢明顯，但普及面臨兩大難題

　　現(xiàn)代電子技術(shù)對半導體材料提出了高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等新要求，安森美半導體寬帶隙高級產(chǎn)品線經(jīng)理Llew Vaughan-Edmunds表示：“SiC和GaN均是寬帶隙第三代半導體材料，結(jié)合卓越的開關性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾(EMI)，極其適用于下一代電源轉(zhuǎn)換，如太陽能逆變器、電源、電動汽車和工業(yè)動力?！?/p>

　　安森美半導體寬帶隙高級產(chǎn)品線經(jīng)理Llew Vaughan-Edmunds

　　以SiC為例對比前兩代半導體材料， ROHM半導體(上海)有限公司設計中心高級經(jīng)理水原 徳建 (Tokuyasu Mizuhara)告訴《華強電子》雜志記者：“SiC與Si相比，絕緣擊穿電場強度高約10倍，可達幾千伏特的高耐壓。另外Si在高耐壓化時導通電阻變大，為了改善這一現(xiàn)象，主要使用Si-IGBT，但存在開關損耗大的問題，而SiC單位面積的導通電阻非常低，可降低功率損耗，同時具有優(yōu)異的高速開關性能?！?美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士表示：“對功率半導體來說，自上世紀90年代末推出硅超結(jié)(superjunction) MOSFET以來，SiC的出現(xiàn)已經(jīng)是新一代量子飛躍。GaAs具有直接帶隙和高遷移性，但其主要應用限于光電子和高頻。SiC則擁有比Si (1.1 eV)和GaAs (1.39 eV)更寬的帶隙?！?/p>

　　ROHM半導體(上海)有限公司設計中心高級經(jīng)理水原 徳建

　　具體來說，“SiC (2.2 MV/cm)的臨界電場數(shù)量級高于Si，使功率器件的漂移區(qū)薄10倍，顯著降低了導通狀態(tài)電阻，與功率等級相當?shù)腟i器件相比，SiC器件的芯片尺寸可以大幅縮小。SiC芯片不僅尺寸更小還可以使電容更低，這一特點加上更高飽和速度 (Si的兩倍)使SiC能夠在相對較高的頻率下工作。采用SiC器件的電路中可以使用更小的無源器件，降低開關損失和提高效率。最后，SiC更高的帶隙和熱導率 (Si的三倍)，使其可以在更高結(jié)溫 (175–200攝氏度) 條件下可靠地工作，從而降低或消除主動冷卻要求?！?Avinash Kashyap博士補充解釋SiC器件的優(yōu)勢。

　　美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士

　　不過，即便早在20世紀60年代碳化硅器件的優(yōu)點就已經(jīng)被人們所熟知，但實際情況是SiC器件目前仍未推廣普及。其中，SiC材料的外延工藝和價格是兩大阻礙。

　　微管缺陷已不是普及絆腳石 SiC器件可靠性同樣關鍵

　　SiC之所以普及受到阻礙，一大重要原因就是SiC缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導體器件的襯底材料。對Si材料而言，單晶襯底經(jīng)常指硅片(wafer),它是從事生產(chǎn)的前提和保證。值得慶幸的是，20世紀70年代末一種生長大面積 SiC襯底的方法以研制成功，但是用改進的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。

　　Avinash Kashyap博士介紹，微管和基面滑移是SiC外延增長期間存在的主要缺陷。最初，微管限制了SiC基板可以使用的芯片尺寸，因為在存在微管的地方制造任何垂直器件將不可避免地失敗，過去十年，SiC芯片的這些缺陷已經(jīng)大幅減少。由于最近幾乎不存在這種缺陷，因此可以制造出大面積SiC器件，且良率相對較高。現(xiàn)在，Microsemi已經(jīng)可以提供極低甚至零微管缺陷的芯片，微管缺陷已不再是實現(xiàn)高良率工藝的絆腳石。

　　水原 徳建也表示：“最初開發(fā)的SiC產(chǎn)品受限于當時工藝和生產(chǎn)設備，可能在可靠性方面確實存在一些需要解決的問題。但如今，SiC的工藝已逐漸成熟，特別在車載領域已經(jīng)有了很多應用的實績，可靠性得到了很好的驗證，這也使得SiC近幾年來在一些市場迅速取代傳統(tǒng)Si器件?！?/p>

　　除了缺陷密度問題，SiC界面狀態(tài)和表面粗糙度問題同樣需要解決，這些缺陷降低了器件的遷移性，妨礙材料的特性充分被利用。氧化層質(zhì)量降低也會對器件的長期可靠性造成不良影響。Avinash Kashyap博士表示：“改善SiC中氧化層的質(zhì)量是美高森美過去幾年的重點。我們通過先進的器件設計方法，降低介質(zhì)界面的電應力，確保氧化層的穩(wěn)健性。在制造階段，美高森美開發(fā)了采用幾個專有步驟的潔凈氧化工藝，降低了固有缺陷，并確保器件使用壽命較長。除設計和工藝改進之外，美高森美的SiC產(chǎn)品還將符合汽車AEC-Q101標準的要求。這是我們?yōu)樽约涸O立的高標桿，確保向客戶提供市場上最可靠的SiC部件?！?/p>

　　Llew Vaughan-Edmunds也表示：“SiC基板處理、外延生長和制備等方面的進展大大降低缺陷密度到市場發(fā)布可接受的水平。隨著需求的增長，我們將看到持續(xù)的工藝改進及更高批量，但還需要顧及最終產(chǎn)品的篩選級別。安森美半導體具有獨特的方法實施于整個完整的工藝周期，以確?？蛻臬@得最高質(zhì)量的產(chǎn)品。另一個重要的考量是SiC二極管/MOSFET的設計，SiC很多設計用于處理高應力，對于終端結(jié)構(gòu)需要考慮很多以確保器件的強固性。安森美半導體擁有專利的終端結(jié)構(gòu)，能為市場提供可靠性卓越的產(chǎn)品?！?/p>