SiC-碳化硅-功率半导体介绍
wafer PVT
Cree PVT
6inch
Plasma assisted Physical Deposition PPD
HOYA CVD +Switch Back Epitaxy )
Sicrystal
PVT
Dow Corning PVT Dow Corning
Bridgestone
Denso
EcoTron
)
Metastable Solvent Epitaxy
AIR WATER
)
VCE(Vacuum Chemical Epitaxy)
PVT
PVT
SiC
碳化硅功率器件在新能源汽车行业的应用
碳化硅功率器件在新能源汽车行业的应用 随着全球经济和技术的蓬勃发展，能源消耗逐年增加。目前，全球的二氧化碳(CO2)排放中有25%来源于汽车。有报告指出，截至2030年，全球CO2排放量将曾至423亿t。在我国，汽车排放带来的污染已经成为城市大气污染中的主要因素，我国的CO2排放目前已居全球第2，节能减排已成为汽车业发展的重大课题。因此，发展新能源汽车是实现节能减排及我国汽车产业跨越式和可持续发展的必然战略措施。电力驱动系统是影响新能源汽车动力性能、可靠性和成本的关键因素。目前，EV和HEV的电力驱动部分主要由硅(Si)基功率器件组成。随着电动汽车的发展，对电力驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。然而，由于材料限制，传统Si基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。因此，各汽车厂商都对新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望，希望通过应用SiC功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC 转换器(为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器)等驱动系统的小型轻量化。由于SiC器件与Si器件相比，有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC功率模块的体积显著小于Si基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块。丰田的技
术人员在一场演讲会上公开表达了对SiC器件的期待，他所强调的SiC功率器件的优点之一就是能实现功率模块的小型化。以智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)为例，利用SiC功率器件，其模块体积可缩小至Si基功率模块的1/3～2/3。由于SiC器件的能量损耗只有Si器件的50%，发热量也只有Si基器件的50%;另外，SiC器件还有非常优异的高温稳定性。因此，散热处理也更加容易进行，不但可以显著减小散热器的体积，还可以实现逆变器与马达的一体化。基于上述原因，SiC器件也被美誉为“重环保时代的关键元件”。SiC功率半导体已成为节能、高效、环保的代名词。为此，汽车业界对SiC的期待十分迫切，丰田汽车表示“SiC 具有与汽油发动机同等的重要性”。在输出功率为30kW 的工况下，试制的逆变器体积为0.5L，输出密度为60kW/L，此时功率元件的温度约为180℃。构成逆变器的器件除了SiC功率模块外，还包括驱动SiC功率器件的控制电路、散热片、冷却风扇及电容器等。因此，国内要想在电力电子器件方面摆脱国外束缚，改变我国电力电子技术长期落后的局面，就需要Si基IGBT和新一代SiC电力电子器件双管齐下，共同追赶国外先进技术的脚步。保证在Si基器件不断成熟的情况下，新一代器件技术也与国外的齐头并进。当新一代器件技术普及时，中国就可以站在电子功率器件的高端领域，改写整个电子功率器件全球产业化竞争的格局。
碳化硅是什么材料
硅： 硅（台湾、香港称矽xī）是一种化学元素，化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。 硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（49.4%）。 碳化硅： 碳化硅又名碳硅石、金刚砂，是一种无机物，化学式为SiC，是用石英砂、石油焦、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。 物质品质： 碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。 ①黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。②绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。 品质规格：
①磨料级碳化硅技术条件按GB/T2480—96。各牌号的化学成分由表6-6-47和表6-6-48给出。 ②磨料粒度及其组成、磨料粒度组成测定方法：按GB/T2481.2-2009。 GB/T 9258.1-2000|涂附磨具用磨料粒度分析第1部分：粒度组成 GB/T 9258.2-2008|涂附磨具用磨料粒度分析第2部分：粗磨粒P12～P220粒度组成的测定
SiC晶体生长工艺装备
SiC晶体生长工艺装备 一、SiC晶体生长工艺装备发展现状 由于SiC具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等特点，使得它在军用和航天领域的高温、高频、大功率光电器件方面具有优越的应用价值。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。 目前SIC半导体材料发展十分迅速，总的发展趋势是晶体大直径、大尺寸化，向高纯无缺陷发展。6H和4H单晶片实现了商品化，3英寸（直径≥76.2mm）是主流产品，4英寸也有少量供应。4H-SiC 上的微管缺陷密度显著减小，n型4H-SiC的极低微管缺陷晶片上微管密度可接近0cm-2。 SiC材料的生长需要特殊的工艺装备。目前这些工艺装备的技术主要掌握在美日欧三方手中。这些发达国家和地区已对SiC 生长设备进行了持续的研究，积累了宝贵的经验。特别是美国，技术最成熟，凭借着先进的技术，不断研制基于SiC基的新军事电子产品，目前在航空、航天、军舰、卫星、深海等方面都得到了实际的应用，得以使其继续在全球军事电子领域保持领先地位。欧盟和日本也紧随其后，投入大量的人力和财力进行追赶。
美国Cree公司是世界上能够商业化提供SiC 产品最大的公司，占全球市场90%以上，其在工艺装备方面的技术先进、成熟稳定，领先世界水平，但受政策影响，技术处于绝对保密之中。 欧洲SiC晶体生长工艺装备的设备制造商集中在德国、瑞典和英国，目前主要生产以3“直径为主的工艺装备，但为了追赶世界先进水平，已开始进行4” SiC晶圆工艺装备的研发。 无论是美国、欧洲还是日本，其晶体生长工艺装备都是军方在三代半导体方面要重点发展的方向之一，长期得到国家的支持和投入，如美国海军、陆军、空军、美国国家航空航天局（NASA ）、弹道导弹防卫局和国防预研局、几乎美国国防部所有部门都将SiC技术研究列入了各自军事系统发展规划。其中SiC晶体生长工艺装备是重要的组成部分，美军正是凭借其在碳化硅装备方面的强大实力，在军事电子方面继续拉大与其他国家的距离。 国内碳化硅研究始于2000年前后，基本都是在Si晶圆研究的基础上进行一些理论性的研究，工艺装备也是在原有的Si晶圆的工艺装备基础上进行了部分改造，研究进展缓慢，装备的缺乏已成为国内SiC项目研究的瓶径。近些年有些研究机构通过各种渠道引进了部分国外发达国家的工艺装备，但价格高昂，所引进设备的技术也不属于前沿技术，并且在引进过程中，对引进单位也有条款上的种种制约，限制了SiC项目在国内的研究。尽管起步早，但目前研究水平还处于初级阶段。 总之，国内SIC项目的研究以进口晶片为主，昂贵的晶片价格，
第三代半导体面SiC碳化硅器件及其应用
件)器及其应用i三第代半导体面-SC(碳化硅以其优良的物理化学特性和电特性成为制SiC作为一种新型的半导体材料，造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重器件的特性要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件和各类传感器已逐步成为SiCGaAs器件．因此，远远超过了Si器件和关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC 上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，
均为SiO2，这意味上制造出来．尽管只是简SiC帕型器件都能够在M 器件特别是Si着大多数． 单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV 的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边
碳化硅功率器件的发展现状及其在电力系统中的应用展望
碳化硅功率器件的发展现状及其在电力系统中的应用展望 摘要：碳化硅作为一种宽禁带材料，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点，可以实现高压、大功率、高频、高温应用的新型功率半导体器件。该文对碳化硅功率半导体器件的最新发展进行回顾，包括碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT，并对其在电力系统的应用现状与前景进行展望。 关键词：碳化硅；功率器件；电力系统 1 引言 理想的半导体功率器件，应当具有这样的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的d i/d t 和d u/d t，具有低的开关损耗，并具有全控功能。半个多世纪以来（自20世纪50年代硅晶闸管的问世），半导体功率器件的研究工作者为实现上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。各类硅基功率半导体器件（功率二极管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制造和应用，促使各种新型大功率装置成功地应用于各种工业电源、电机驱动、电力牵引、电能质量控制、可再生能源发电、分布式发电、国防和前沿科学技术等领域。 然而由于在电压、功率耐量等方面的限制，这些硅基大功率器件在现代高性能电力电子装置中（要求具有变流、变频和调相能力；快速的响应性能~ms；利用极小的功率控制极大功率；变流器体积小、重量轻等）不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力系统的进一步发展。 近年来，作为新型的宽禁带半导体材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅功率器件的重要优势在于具有高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，如碳化硅功率二极管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在600~1700V。近两年来，随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，如19.5kV的碳化硅二极管[1]，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等，并持续在替代传统硅基功率器件的道路上取得进步。这些碳化硅功率器件的成功研发带来了半导体功率器件性能的飞跃提升，引发了
第三代半导体面-SiC(碳化硅)器件及其应用
第三代半导体面-SiC(碳化硅)器件及其应用 作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在Si C上制造出来．尽管只是简单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、SiC射频功率晶体管以及SiC M OSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC 材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以提高SiC器件的功能和性能．1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC 肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和K ansai联合研制出一只击穿电压高达12．3kV的SiC整流器，主要采用了新的外延工艺和改进的器件设计．该器件具有很低的导通电阻，正向导通电压只有4.9 V ,电流密度高，可以达到100A／c㎡，是同类Si器件的5倍多. 1.2 SiC功率器件 由于SIC的击穿电场强度大约为Si的8倍．所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的1/400．常见的功率器件有功率MOSFET、IGBT以及多种MOS控制闸流管等．为了提高器件阻断电压和降低导通电阻，许多优化的器件结构已经被使用．表1给出了已报道的最好的SiC功率MOSFET器件的性能数据Si功率MOSFET的功率优值的理论极限
纳米碳化硅材料
纳米碳化硅材料 摘要：本文主要讨论的是关于纳米碳化硅材料的结构、性能及其应用，主要在其 光学性质、力学性质等方面对其进行讨论。 关键词：纳米碳化硅光学性质力学性质 1. 引言 SiC纳米材料具有高的禁带宽度，高的临界击穿电场和热导率，小的介电常 数和较高的电子饱和迁移率，以及抗辐射能力强，机械性能好等特性，成为制作 高频、大功率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件的理想材料。 SiC 纳米线表现出的室温光致发光性，使其成为制造蓝光发光二极管和激光二极 管的理想材料。近年来的研究表明：微米级SiC晶须已被应用于增强陶瓷基、金 属基和聚合物基复合材料，这些复合材料均表现出良好的机械性能，可以想象用 强度硬度更高及长径比更大的SiC 一维纳米材料作为复合材料的增强相，将会 使其性能得到进一步增强。随着研究的深入，研究者还发现一维SiC纳米结构在 储氢、光催化和传感等领域都有广泛的应用前景。 2. 纳米碳化硅结构 碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物， 自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面 体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC 具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立 方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为 工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关 系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC 缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H 多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃， 也是非常稳定的。下面是三种SiC多形体结构图
第三代半导体材料碳化硅
第三代半导体材料碳化硅 一、第三代半导体发展简述 半导体产业的基石是芯片。制作芯片的核心材料按照历史进程分为三代：第一代半导体材料（主要为目前广泛使用的高纯度硅）、第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟）、第三代化合物半导体材料（碳化硅、氮化镓）。 第三代半导体材料也称为禁带半导体材料，是指禁带宽度在2.3eV（电子伏特）及以上的半导体材料（硅的禁带宽度为1.12eV），其中较为典型的和成熟的包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，其余包括氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等的研究尚处于起步阶段。 第三代半导体材料在禁带宽度、热导率、介电常数、电子漂移速度方面的特性使其适合制作高频、高功率、高温、抗辐射、高密度集成电路；其在禁带宽度方面的特性使其适合制作发光器件或光探测器等。 5G基站射频器件对高频材料的需求，以及功率器件正向着大功率化、高频化、集成化方向发展的趋势凸显出了第三代半导体材料的重要性及广阔前景。而该领域基本由美日企业主导，我国相对薄弱，研发仍主要集中于军工领域。 国家战略新兴产业政策中多次提到以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体器件，随着国内多家企业开始重视该领
域，积极布局相关项目，我国的第三代半导体材料及器件有望实现较快发展。 二、第三代半导体---碳化硅概述 碳化硅是第三代化合物半导体材料的，具有优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。 半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，基本结构都可以划分为“衬底—外延—器件”结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。 图：碳化硅晶片产业链
碳化硅让功率器件更加高效
碳化硅让功率器件更加高效 尽管坠落的陨石非常罕见，但作为外太空的一种天然矿物质（似乎不是非常罕见），碳化硅（SiC）通常被人们看作是一种复合物质，此物质是美国发明家爱德华·古德 里奇·艾奇逊于19世纪90年代发现的。爱德华·古德里奇·艾奇逊在此之前离开了托马斯·爱迪生（白炽灯先驱）的团队，并从事人造金刚石的开发工作。正是在此过 程中，当使用碳弧光灯对铁碗中的粘土和焦炭混合物进行加热时，他注意到了一些闪耀的蓝色晶体。后来他获得了许多专利，并首次将超硬晶体硅与碳的化合物作为产品（如砂纸、研磨和切割工具）中的磨料应用于我们的生活中，且在之后将该物质应用于防弹背心、汽车制动器和火箭发动机、发光二极管（早在1907年，世界 首根发光二极管，您能相信吗）以及功率半导体中。 为什么碳化硅可应用于功率半导体中？主要原因是它的能带隙较宽，这决定了需要多少能量来使电子在SiC材料上的能带之间进行跳变，使其载流。三个电子伏周围的宽带隙意味着热量、辐射和其他外部因素将不会对其性能产生破坏性影响。 因此，碳化硅是在这些特性方面（例如允许运行温度和辐射暴露）优于硅的材料，并且在高电压情况下绝缘击穿电场强度方面也拥有有利的性能；高电子速度意味着可以在较高频率下使用该材料；用于散热的高导热性为其提供了可在功率器件中使用的较大潜能。 或者更简单地说，可保证小型设计中高温下的更高效率和更少损失。因此，为什么不普及碳化硅的应用呢？我们想说，在不久以后——当在一些应用过程中阻碍商业化的晶体缺陷问题被持续解决之后、生产效率改善之后，瑞萨电子公司将在一段时间内生产肖特基势垒二极管。碳化硅功率场效应晶体管（SiCPowerMOSFET）和 绝缘栅双极晶体管（IGBT）已经面临SiC和二氧化硅接口方面的额外挑战，但是，在反复对这些问题进行广泛调查之后，情况日益得到了改善，由于持续开发SiC-MOSFET，已经可以使用瑞萨电子的混合器件，并将容易使用的传统硅MOSFET 与大规模导通电阻改进相结合，使其具有更高效率，同时也增加了约26%的效率，我们的混合IGBT将SiC二极管嵌入到IGBT包内，节省了传统需要的大约50%的PCB空间，前提是还应考虑由于减少的热损失而导致散热器更小。 除了大量SiC元件供应商的晶体生产产量以及工艺效率提高之外，市场因素在引领碳化硅电力技术（尤其是在效率方面）方面也发挥了一定作用。在一些应用中（例如空调和太阳能阵列），对于有效功率变换的需求非常强，并且功率切换效率和逆变电路由立法以及客户态度所支配。 出于这种考虑，瑞萨电子开发了在功率变换及其他此类应用中使用的碳化硅肖特基势垒二极管（SBD），以确保更快转换速度以及更低运行电压。
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor） 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比，SiC 双极型晶体管具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发
纳米碳化硅材料
纳米碳化硅材料 王星 （武汉工业学院化学与环境工程学院湖北武汉430023） 摘要：本文介绍了碳化硅的结构，纳米碳化硅几种常用的制备的方法和它掺杂改性以及应用。虽然SiC纳米材料制备规模小、成本高、工序复杂，近期难以实现大规模生产，但SiC纳米材料性能优于传统的SiC材料，能够达到高新技术领域的严格要求，具有更为广泛的用途，为此，应进一步加大对SiC纳米材料的研究。 关键词：纳米碳化硅掺杂改性应用 1 引言 纳米材料的出现是21世纪材料科学发展的重要标志，它所表现出的强大的科学生命力不仅是因为揭示出科学的深刻物理含义，而更重要的是它所发现的新结构、新现象、新效应源源不断地被用来开发具有新结构、新性能的固体器件，对通讯、微电子等高新技术产生极其深远的影响。SiC纳米材料具有高的禁带宽度，高的临界击穿电场和热导率，小的介电常数和较高的电子饱和迁移率，以及抗辐射能力强，机械性能好等优点，成为制作高频、大工率、低能耗、耐高温和抗辐射器件的电子和光电子器件的理想材料。SiC 纳米线表现出的室温光致发光性，使其成为制造蓝光发光二极管和激光二极管的理想材料。所以，对纳米碳化硅材料的研究具有十分重要的意义。 2碳化硅的结构 碳化硅（SiC）俗称金刚砂，又称碳硅石是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC 具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC 缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H 多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。下面是三种SiC多形体结构图
碳化硅的应用
碳化硅 碳化硅，又称为金钢砂或耐火砂，英文名Silicon Carbide，分子式SiC。 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC(称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。绿色至蓝黑色。介电常数7。硬度9Mobs。A-是半导体。迁移率(300 K), cm2 / (VS),400电子和50空穴，谱带间隙eV，303(0 K)和2.996(300 K)；有效质量0.60电子和1.00空穴，电导性，耐高温氧化性能。相对密度3.16。熔点2830℃。导热系数(500℃)22. 5 , (1000℃)23.7 W / (m2K)。热膨胀系数：线性至100℃：5.2×10-6/ ℃，不溶于水、醇；溶于熔融碱金属氢氧化物。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。碳化硅为晶体，硬度高，切削能力较强，化学性能力稳定，导热性能好。 黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。常用的碳化硅磨料有两种不同的晶体，一种是绿碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬质含金工具。另一种是黑碳化硅，有金属光泽，含SiC 95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。 碳化硅的用途是十分广泛的，目前主要是用作磨料和耐火材料，这两项用途占了碳化硅产量中的大部分。通常磨料用的颗粒粒级很窄，反之耐火材料不同。下面分几个方面介绍碳化处的主要用途。 一、磨料 由于碳化硅具有很高的硬度、化学稳定性和一定的韧性，所以是一种用途很广的磨料，可用以制造砂轮、油石、涂附磨具或自由研磨。它主要是用于研磨玻璃、陶瓷、石材等非金属材料、铸铁及某些非铁金属，它与这些材料之间的反应性很弱。由于它是普通废料中硬度最高的材料，所以包常用以加工硬质合金、钛合金、高速钢刀具等难磨材料及修正砂轮用。碳化硅硬度仅次于金刚石，具有较强的耐磨性能，是耐磨管道、叶轮、泵室、旋流器，矿斗内衬的理想材料，其耐磨性能是铸铁、橡胶使用寿命的5~20倍，也是航空飞行跑道的理想材料之一。 其中黑色碳化硅和绿色碳化硅的应用也有所差别。黑碳化硅制成的磨具，多用于切割和研磨抗张强度低的材队如玻璃、陶瓷、石料和耐火物氯同时也用于铸铁零件和有色金属材料的磨削。绿碳化硅制成的磨具，多用于硬质合金、钦合金、光学玻璃的磨削，同时也用于缸缸和高速钢刀具的精磨。 由于其优良的耐磨性，碳化硅在冶金选矿行业中也有应用。参见《碳化硅在选矿工艺中的应用》。 二、耐火材料和耐腐蚀材料 这一用途是由于它的高熔点(分解温度)、化学惰性和抗热震性。日前生产碳化硅耐火材料的主要方法包括压制和烧结碳化硅、压制和再结晶碳化硅、浇注和再结晶碳化硅、碳化硅
电力电子中的碳化硅SiC
电力电子中的碳化硅SiC SiC in Power Electronics Volker Demuth, Head of Product Management Component, SEMIKRON Germany 据预测，采用SiC的功率模块将进入诸如可再生能源、UPS电源、驱动器和汽车等应用。风电和牵引应用可能会随之而来。到2021年，SiC功率器件市场总额预计将上升到10亿美元 [1]。在某些市场，如太阳能，SiC器件已投入运行，尽管事实上这些模块的价格仍然比常规硅器件高。是什么使这种材料具有足够的吸引力，即使价格更高也心甘情愿地被接受？首先，作为宽禁带材料，SiC提供了功率半导体器件的新设计方法。传统功率硅技术中，I GBT开关被用于高于600V的电压，并且硅PIN-续流二极管是最先进的。硅功率器件的设计与软开关特性造成相当大的功率损耗。有了SiC的宽禁带，可设计阻断电压高达15kV的高压MOSFET，同时动态损耗非常小。有了SiC，传统的软关断硅二极管可由肖特基二极管取代，并带来非常低的开关损耗。作为一个额外的优势，SiC具有比硅高3倍的热传导率。连同低功率损耗，SiC是提高功率模块中功率密度的一种理想材料。目前可用的设计是SiC混合模块（IGBT和SiC肖特基二极管）和全SiC模块。 SiC混合模块 SiC混合模块中，传统IGBT与SiC肖特基二极管一起开关。虽然SiC器件的主要优势是与低动态损耗相关，但首先讨论SiC肖特基二极管的静态损耗。通常情况下，SiC器件的静态损耗似乎比传统的硅器件更高。图1.a显示了传统软开关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降V f，为低开关损耗而优化的快速硅二极管和SiC肖特基二极管，所有的额定电流为10 A。 图1.a中：25℃和150℃下不同续流二极管的正向电流与正向压降。对比了10A的SiC肖特基二极管，传统的软开关硅二极管（CAL H D）和快速硅二极管（硅快速）。1.b：同一二极管的正向压降和电流密度（正向电流除以芯片面积）。 在10A的额定电流下，硅续流二极管展现出最低的正向压降，SiC肖特基二极管的V f更高，而快速硅二极管展现出最高的正向压降。正向电压与温度之间的关联差别很大：快速硅二极管具有负的温度系数，150°C下的V f比2 5°C下的V f低。对于12A以上的电流，CAL的温度系数为正，SiC肖特基二极管即使电流为4A时，温度系数也为正。由于二极管通常并联以实现大功率器件，需要具有正温度系数以避免并联二极管中的电流不平衡和运行温度不
碳化硅特性
碳化硅特性 碳化硅是一种人工合成的碳化物，分子式为SiC。通常是由二氧化硅和碳在通电后200 0℃以上的高温下形成的。碳化硅理论密度是3.18g/cm3，其莫氏硬度仅次于金刚石，在9.2 -9.8之间，显微硬度3300kg/mm3，由于它具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及较高的高温强度等特点，被用于各种耐磨、耐蚀和耐高温的机械零部件，是一种新型的工程陶瓷新材料。纯碳化硅是无色透明的结晶,工业碳化硅有无色、淡黄色、浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色乃至黑色的,透明程度依次降低。磨料行业把碳化硅按色泽分为黑色碳化硅和绿色碳化硅2类。其中无色的至深绿色的都归入绿色碳化硅类,浅兰色的至黑色的则归入黑色碳化硅类。黑色和绿色这2种碳化硅的机械性能略有不同,绿色碳化硅较脆,制成的磨具富于自锐性;黑碳化硅较韧。 碳化硅结晶结构是一种典型的共价键结合的化合物，自然界几乎不存在。碳化硅晶格的基本结构单元是相互穿插的SiC4和CSi4四面体。四面体共边形成平面层，并以顶点与下一叠层四面体相连形成三维结构。SiC具有α和β两种晶型。β－SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格；α－SiC存在着4H、15R和6H等100余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。α-SiC是高温稳定型,β-SiC是低温稳定型。β-SiC在2100～2400℃可转变为α-SiC,β-SiC可在1450℃左右温度下由简单的硅和碳混合物制得。在温度低于1600℃时，SiC以β－SiC形式存在。当高于1600℃时，β－SiC 缓慢转变成α－SiC的各种多型体。4H－SiC在2000℃左右容易生成；15R和6H多型体均需在2100℃以上的高温才易生成；对于6H－SiC，即使温度超过2200℃，也是非常稳定的。常见的SiC多形体列于下表：
第三代半导体面 SiC 碳化硅 器件及其应用
第三代半导体面-S i C(碳化硅)器件及其应用作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料．特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件．因此，SiC器件和各类传感器已逐步成为关键器件之一，发挥着越来超重要的作用． 从20世纪80年代起，特别是1989年第一种SiC衬底圆片进入市场以来，SiC器件和电路获得了快速的发展．在某些领域，如发光二极管、高频大功率和高电压器件等，SiC器件已经得到较广泛的商业应用．发展迅速．经过近10年的发展，目前SiC器件工艺已经可以制造商用器件．以Cree为代表的一批公司已经开始提供SiC器件的商业产品．国内的研究所和高校在SiC 材料生长和器件制造工艺方面也取得厂可喜的成果．虽然SiC材料具有非常优越的物理化学特性，而且SiC器件工艺也不断成熟，然而目前SiC器件和电路的性能不够优越．除了SiC材料和器件工艺需要不断提高外．更多的努力应该放在如何通过优化S5C器件结构或者提出新型的器件结构以发挥SiC 材料的优势方面． 1 SiC分立器件的研究现状 目前．SiC器件的研究主要以分立器件为主．对于每一种器件结构，共最初的研究部是将相应的Si或者GaAs器件结构简单地移植到SiC上，而没有进行器件结构的优化．由于SiC的本征氧化层和Si相同，均为SiO2，这意味着大多数Si器件特别是M帕型器件都能够在SiC上制造出来．尽管只是简
单的移植，可是得到的一些器件已经获得了令人满意的结果，而且部分器件已经进入厂市场．S iC光电器件，尤其是蓝光发光二极管在20世纪90年代初期已经进入市场，它是第一种大批量商业生产的SiC器件．日前高电压SiC肖特基二极管、Si C射频功率晶体管以及SiC MOSFET和MESFET等也已经有商业产品．当然所有这些SiC产品的性能还远没有发挥SiC材料的超强特性，更强功能和性能的SiC器件还有待研究与开发．这种简单的移植往往不能完全发挥SiC材料的优势．即使在SiC器件的一些优势领域．最初制造出来的SiC器件有些还不能和相应的Si或者CaAs器件的性能相比． 为了能够更好地将SiC材料特性的优势转化为SiC器件的优势，目前正在研究如何对器件的制造工艺与器件结构进行优化或者开发新结构和新工艺以 提高SiC器件的功能和性能． 1．1 SiC肖特基二极管 肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等许多领域有重要的应用．由于肖特基二极管的制造工艺相对比较简单，所以对SiC肖特基二极管的研究较为成熟．普渡大学最近制造出了阻断电压高达4．9kV的4H-SiC肖特基二极管，特征导通电阻为43mΩ?c㎡，这是目前SiC肖特基二极管的最高水平． 通常限制肖特基二极管阻断电压的主要因素是金—半肖特基接触边沿处的 电场集中．所以提高肖特基二极管阻断电压的主要方法就是采用不同的边沿阻断结构以减弱边沿处的电场集中．最常采用的边沿阻断结构有3种：深槽阻断、介质阻断和pn结阻断．普放大学采用的方法是硼注入pn结阻断结构，所选用的肖特基接触金属有Ni，Ti．2000年4月Cree和Kansai联合研制
2020年第三代半导体材料碳化硅晶片行业分析报告
2020年第三代半导体材料碳化硅晶片行业分析报告 2020年7月
目录 一、行业主管部门、监管体制、主要法律法规政策 (5) 1、行业主管部门和监管体制 (5) 2、行业主要政策法规 (6) 二、半导体行业概况 (7) 三、第三代半导体材料行业概况 (9) 1、半导体材料概况 (9) 2、第三代半导体衬底材料概况 (11) 四、碳化硅晶片行业概况 (13) 1、碳化硅晶片简介 (13) 2、碳化硅晶片应用及其市场情况 (14) （1）功率器件 (14) ①新能源汽车 (15) ②光伏发电 (15) ③轨道交通 (16) ④智能电网 (17) （2）射频器件 (18) 3、碳化硅晶片市场供给情况 (20) 五、行业发展现状、面临的机遇和未来发展趋势 (21) 1、第三代半导体战略地位得到广泛重视 (21) 2、碳化硅晶片需求旺盛，供给相对不足 (22) 3、碳化硅晶片尺寸持续扩大，6英寸晶片将成为主流 (24) 4、国际碳化硅龙头企业整体领先并加速布局抢占市场份额 (24)
5、国内碳化硅材料企业快速崛起 (25) 6、国内进口替代趋势不可逆转 (26) 六、行业发展面临的挑战 (27) 1、碳化硅晶片技术门槛高 (27) 2、碳化硅晶片制备成本较高 (27) 七、行业主要企业简况 (28) 1、美国CREE公司 (28) 2、美国II-VI公司 (28) 3、德国SiCrystal公司 (28) 4、山东天岳 (28) 5、天科合达 (29)
碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。 根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型。其中，导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件，市场规模较大；半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域，随着5G通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。 晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。 籽晶是生长晶体的“种子”，主要用于在单晶生长炉中生长碳化硅晶体；晶体主要用于加工为碳化硅晶片，还可用于制造莫桑钻饰品，或被加工设备制造商用于测试切割设备等。 籽晶是用于碳化硅晶体生长的高品质碳化硅晶片，相对于一般的碳化硅晶片，籽晶的结晶品质要求更高、尺寸和厚度较大，其销售价格也相对较高。 碳化硅晶体是生产碳化硅晶片的中间产品，公司生产的碳化硅晶体主要用于加工制成碳化硅晶片后对外销售。根据电阻率不同，公司的碳化硅晶体可分为导电型晶体和半绝缘型晶体。其中，高品质的半绝缘型碳化硅晶体由于近乎无色，且硬度、亮度、火彩等指标接近甚
碳化硅功率器件可靠性综述 (1)
碳化硅功率MOSFET可靠性综述 陈思哲 1.碳化硅功率器件的提出 过去的几十年间，电力电子器件在结构设计，工艺流程以及材料品质等方面取得了长足的进步。然而，与此同时，技术的进步也使得传统硅基器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本证极限，如电压阻断能力，正向导通压降，器件开关速度等。近二十年里，这样的事实和随之而来的紧迫感使得电力电子技术人员不断寻求一种新的方法，以获得更为优异的器件特性，更高的功率密度以及更低的系统能耗。其中，人们最为期待是使用宽禁带半导体材料代替硅制备功率器件[1]。 相比于其他宽禁带半导体材料（如GaN等），碳化硅（SiC）所具有的一个先天优势是可以形成自然的氧化层（SiO2），这使得碳化硅器件可轻易的继承在硅器件中已广泛使用的金属-氧化物-半导体（MOS）结构以及相关技术。目前，以碳化硅为基底电力电子功率器件研究方兴未艾。相比于传统的硅材料，碳化硅材料具有的优势包括：10倍以上的电场承受能力，3倍左右的禁带宽度，以及大于3倍的导热系数等。极高的电场承受能力使得碳化硅功率器件具有很薄的衬底和较高的掺杂浓度，更大的禁带宽度使得它能够工作在更高的温度下并有强的抗辐射能力。而碳化硅材料的高导热系数（4.9℃/W）则意味着更为迅速的热量耗散，即器件可以承受更高的功率密度和工作温度。不过，虽然使用碳化硅材料制备电力电子功率器件前景广阔，相关器件的可靠性，尤其是长期工作的可靠性一直是人们关注的重点。 本篇文章主要讨论碳化硅器件，特别是碳化硅功率MOSFET的可靠性以及相关问题。功率MOSFET是一种使用金属-氧化物-半导体结构控制器件表面电流通断的一种电力电子器件，具有开关速度快，驱动简单等特点，目前已广泛应用于中低压电力变换装置中。而若改用碳化硅材料，则可使制得的MOSFET器件阻断电压大幅提升，并保持较低的导通阻抗，从而有望取代目前占领中高压市场的IGBT器件。然而，值得注意的是，虽然碳化硅展现了出众的电学和物理学特性，但相关器件在设计和制备中出现的一系列问题是我们无法回避的。尽管大部分可归咎于材料和器件工艺的不成熟，并能够通过长期的研究加以解决，另一些可能是使用这种材料所带来的根本性缺陷。在下文中，作者将针对这些问题展开讨论。