如果硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料奠定了信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，那么以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料將是提升新一代信息技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要支撐。憑借禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)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(guò)，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們將看到SiC對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)產(chǎn)生的革命性影響，電動(dòng)汽車也將引領(lǐng)SiC器件的普及。
SiC材料優(yōu)勢(shì)明顯，但普及面臨兩大難題
現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)半導(dǎo)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(dǎo)體寬帶隙高級(jí)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(dǎo)體材料，結(jié)合卓越的開(kāi)關(guān)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(yáng)能逆變器、電源、電動(dòng)汽車和工業(yè)動(dòng)力?！?/p>
安森美半導(dǎo)體寬帶隙高級(jí)產(chǎn)品線經(jīng)理Llew Vaughan-Edmunds
以SiC為例對(duì)比前兩代半導(dǎo)體材料， ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級(jí)經(jīng)理水原 徳建 (Tokuyasu Mizuhara)告訴《華強(qiáng)電子》雜志記者：“SiC與Si相比，絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高約10倍，可達(dá)幾千伏特的高耐壓。另外Si在高耐壓化時(shí)導(dǎo)通電阻變大，為了改善這一現(xiàn)象，主要使用Si-IGBT，但存在開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，而SiC單位面積的導(dǎo)通電阻非常低，可降低功率損耗，同時(shí)具有優(yōu)異的高速開(kāi)關(guān)性能?！?美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士表示：“對(duì)功率半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，自上世紀(jì)90年代末推出硅超結(jié)(superjunction) MOSFET以來(lái)，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(yīng)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。”
ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級(jí)經(jīng)理水原 徳建
具體來(lái)說(shuō)，“SiC (2.2 MV/cm)的臨界電場(chǎng)數(shù)量級(jí)高于Si，使功率器件的漂移區(qū)薄10倍，顯著降低了導(dǎo)通狀態(tài)電阻，與功率等級(jí)相當(dāng)?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(diǎn)加上更高飽和速度 (Si的兩倍)使SiC能夠在相對(duì)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(wú)源器件，降低開(kāi)關(guān)損失和提高效率。最后，SiC更高的帶隙和熱導(dǎo)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(dòng)冷卻要求?！?Avinash Kashyap博士補(bǔ)充解釋SiC器件的優(yōu)勢(shì)。
美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士
不過(guò)，即便早在20世紀(jì)60年代碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)就已經(jīng)被人們所熟知，但實(shí)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(jià)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(guān)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(dǎo)體器件的襯底材料。對(duì)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(jì)70年代末一種生長(zhǎng)大面積 SiC襯底的方法以研制成功，但是用改進(jìn)的稱為L(zhǎng)ely方法生長(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)樵诖嬖谖⒐艿牡胤街圃烊魏未怪逼骷⒉豢杀苊獾厥?，過(guò)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(duì)較高?，F(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(shí)現(xiàn)高良率工藝的絆腳石。
水原 徳建也表示：“最初開(kāi)發(fā)的SiC產(chǎn)品受限于當(dāng)時(shí)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，可能在可靠性方面確實(shí)存在一些需要解決的問(wèn)題。但如今，SiC的工藝已逐漸成熟，特別在車載領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應(yīng)用的實(shí)績(jī)，可靠性得到了很好的驗(yàn)證，這也使得SiC近幾年來(lái)在一些市場(chǎng)迅速取代傳統(tǒng)Si器件。”
除了缺陷密度問(wèn)題，SiC界面狀態(tài)和表面粗糙度問(wèn)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(huì)對(duì)器件的長(zhǎng)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(guò)去幾年的重點(diǎn)。我們通過(guò)先進(jìn)的器件設(shè)計(jì)方法，降低介質(zhì)界面的電應(yīng)力，確保氧化層的穩(wěn)健性。在制造階段，美高森美開(kāi)發(fā)了采用幾個(gè)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(zhǎng)。除設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)之外，美高森美的SiC產(chǎn)品還將符合汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的要求。這是我們?yōu)樽约涸O(shè)立的高標(biāo)桿，確保向客戶提供市場(chǎng)上最可靠的SiC部件。”
Llew Vaughan-Edmunds也表示：“SiC基板處理、外延生長(zhǎng)和制備等方面的進(jìn)展大大降低缺陷密度到市場(chǎng)發(fā)布可接受的水平。隨著需求的增長(zhǎng)，我們將看到持續(xù)的工藝改進(jìn)及更高批量，但還需要顧及最終產(chǎn)品的篩選級(jí)別。安森美半導(dǎo)體具有獨(dú)特的方法實(shí)施于整個(gè)完整的工藝周期，以確?？蛻臬@得最高質(zhì)量的產(chǎn)品。另一個(gè)重要的考量是SiC二極管/MOSFET的設(shè)計(jì)，SiC很多設(shè)計(jì)用于處理高應(yīng)力，對(duì)于終端結(jié)構(gòu)需要考慮很多以確保器件的強(qiáng)固性。安森美半導(dǎo)體擁有專利的終端結(jié)構(gòu)，能為市場(chǎng)提供可靠性卓越的產(chǎn)品。”