碳化硅

下一代半导体器件

european flag 该项目根据第953549号拨款协议受到了来自欧盟地平线2020研究与创新计划的资助。

为什么碳化硅很重要?

碳化硅是一种新兴的半导体。在众多的半导体中,现今最常用的为工业生长的硅 (Si) 和 砷化镓 (GaAs)。然而,最近市场出现了转变—碳化硅由于其优越的性能正在吸引着越来越多的投资。与传统硅基器件相比,碳化硅可以提供将近10倍的击穿电场强度(2.8兆伏/厘米 相较于 0.3兆伏/厘米)以及3倍的热导率,使之成为电动汽车、电源、太阳能逆变器、火车和风力发电机等高压应用的理想材料。碳化硅优越的导电导热性能使它在更高压更高温以及更高频率下运作的汽车和电力生产设备中前所未有的越来越重要。

另一个好处是在衬底上沉积的碳化硅外延层可以薄的多,降到传统硅外延层的十分之一。例如,碳化硅衬底上的碳化硅外延提供了从亚微米到200微米以上的可用层厚度。相比之下,这个厚度大约是硅外延层的十分之一。

另外,碳化硅器件减少了系统中的能量损失,增强了性能、可靠性,降低了运行成本。例如,在混合动力和电动汽车中碳化硅功率解决方案能够增加燃料效率、提供更大的车厢面积;而在太阳能发电应用中碳化硅功率解决方案可以将功率损失减少约50%,从而减缓全球变暖。

基于这些优点,碳化硅被期待成为未来几年电力电子应用的标准材料。

晶体生长和缺陷
碳化硅柱通常有两种结晶方式:

1. 升华法(通常称为“瑞利法”)。它升华碳化硅粉末,通过热梯度将升华气体输送至种子晶体表面,并在低温下重结晶。与从硅熔体中液相结晶的常规硅锭相比,采用升华法生长速度较慢,容易产生晶体缺陷,因此需要先进的技术进行晶体控制。

2. 高温化学气相沉积(HTCVD)。该方法通过垂直石墨坩埚中的加热区向上进料前驱气体至放置在顶部的籽晶。前驱体气体为氢化硅和碳氢化合物。生长温度约为 2100 ~ 2300℃,生长速率为0.1 ~ 1mm / h。

晶体生长是材料价值链中最困难的一步。生长过程是完全不可见的,没有办法去观察或者直接测量正在生长的东西。因此相比于硅,碳化硅是一种高缺陷材料。常见的缺陷包括原子晶格中的微管和位错。每个缺陷都会降低碳化硅功率器件的制造产率和可靠性。微管降低了阻塞电压和栅氧化可靠性。位错不仅如此,还会降低局部载流子寿命。

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碳化硅与氮化镓的比较

氮化镓是另外一种展现出巨大前景的的半导体。目前关于氮化镓和碳化硅晶体的比较以及哪种器件或材料最适合特定应用的讨论和问题有很多。这个表格概括展示了两种材料的性能。

特性 碳化硅 氮化镓
带隙(eV) 3.2 3.4
临界电场 10e6 V/cm 3 3.5
电子迁移率 (cm2/V-sec) 900 2000
电子饱和迁移率 (106 cm/sec) 22 25
热导率 (Watts/cm2 K) 5 1.3

由于氮化镓具有更高的电子迁移率,更适合于低功率/电压、高频应用,而碳化硅则代表大功率、高压开关电源应用。氮化镓的热导率只有1.3 W/cm2K,热载荷传递性能最差。用碳化硅制造大而均匀的晶圆也比用氮化镓容易。 碳化硅和氮化镓最终都会在各自的位置发挥重要作用。想要了解更多关于碳化硅和氮化镓的对比,请访问如下网址:

https://www.powerelectronics.com/technologies/power-management/article/21864289/the-great-semi-debate-sic-or-gan

碳化硅市场
至2025年,全球的碳化硅市场估计会从2020年的七百四十九万美元增长到一千八百一十二万美元。而碳化硅衬底的市场在2020年估计是三百一十万美元,而且预计会在2017年达到10十亿美元,2022至2027年间的年复合增长率将为21.4%。促进这一增长的主要因素是能源电子产业对碳化硅器件日益增长的需求。过去十年间,75%的碳化硅晶圆业务是由美国的公司产生的,例如CREE, II-VI 和 Dow Corning,剩下的20%在欧洲,5%在日本。最近几年亚太地区作为多个碳化硅供应者和生产者已经开始获得牵引力。

* RoW代表余下世界:中东、非洲和南美。

 

参考文献
  • Dhanaraj G, Raghothamachar B, Dudley M, editors. Handbook of crystal growth-Chap 23- and Characterization of Silicon Carbide Crystals. In: Handbook of crystal growth- Heidelberg ; New York: Springer; 2010.
  • Wellmann PJ. Review of SiC crystal growth technology. Semiconductor Science and Technology. 2018 Oct 1;33(10):103001.
  • Kimoto T, Cooper JA. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore: John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd; 2014. 538 p.
  • Lapedus M. SiC Demand Growing Faster Than Supply. 2019 May 23 ; Available from: https://semiengineering.com/sic-demand-growing-faster-than-supply/

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