碳化硅电子器件发展分析报告

碳化硅电力电子器件的发展现状分析

目录

1.SiC器件的材料与制造工艺 (2)

1.1 SiC单晶 (2)

1.2 SiC外延 (3)

1.3 SiC器件工艺 (4)

2. SiC二极管实现产业化 (5)

3. SiC JFET器件的产业化发展 (7)

4. SiC MOSFET器件实用化取得突破 (7)

5. SiC IGBT器件 (8)

6. SiC功率双极器件 (9)

7. SiC 功率模块 (10)

8. 国内的发展现状 (11)

9. SiC电力电子器件面对的挑战 (11)

9.1 芯片制造成本过高 (11)

9.2 材料缺陷多，单个芯片电流小 (12)

9.3 器件封装材料与技术有待提高 (12)

10. 小结 (12)

在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN 型二极管。SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）三种。

1.SiC器件的材料与制造工艺

1.1 SiC单晶

碳化硅早在1842年就被发现了，但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely 才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。碳化硅分为立方相（闪锌矿结构）、六方相（纤锌矿结构）和菱方相3大类共260多种结构，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC才有商业价值，美国科锐（Cree）等公司已经批量生产这类衬底。立方相（3C-SiC）还不能获得有商业价值的成品。

SiC单晶生长经历了3个阶段, 即Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC 高温升华分解这一特性，可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体。升华法是目前商业生产SiC单晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气体（氩气）环境温度为2 500℃的条件下进行升华生长，可以生成片状SiC晶体。由于Lely法为自发成核生长方法，不容易控制所生长SiC晶体的晶型，且得到的晶体尺寸很小，后来又出现了改良的Lely法。改良的Lely法也被称为采用籽晶的升华法或物理气相输运法 (简称PVT法)。PVT法的优点在于：采用 SiC籽晶控制所生长晶体的晶型，克服了Lely法自发成核生长的缺点，可得到单一晶型的SiC单晶，且可生长较大尺寸的SiC单晶。国际上基本上采用PVT法制备碳化硅单晶。目前能提供4H-SiC晶片的企业主要集中在欧美和日本。其中Cree产量占全球市场的85%以上，占领着SiC晶体生长及相关器件制作研究的前沿。目前，Cree的6英寸SiC晶片已经商品化,可以小批量供货。此外，国内外还有一些初具规模的SiC晶片供应商，年销售量在1万片上下。Cree生产的SiC晶片有80%以上是自己消化的，用于LED衬底材料，所以Cree是全球

唯一一家大量生产SiC基LED器件的公司，这个业务使得它的市场表现突出，公司市盈率长期居于高位。

目前已出现了另一种碳化硅晶体生长方法，即采用高温化学气相沉积方法（HTCVD）。它是用气态的高纯碳源和硅源，在2200℃左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生长，生长速率一般为0.5～1mm/h左右，略高于PVT法，也有研究机构可做到2mm/h的生长速率。气态的高纯碳源和硅源比高纯SiC粉末更容易获得，成本更低。由于气态源几乎没有杂质，因此，如果生长时不加入n型掺杂剂或p型掺杂剂，生长出的4H-SiC就是高纯半绝缘（HPSI）半导体。HPSI与SI是有区别的，前者载流子浓度3.5×1013～8×1015/cm3范围，具有较高的电子迁移率；后者同时进行n、p补偿，是高阻材料，电阻率很高，一般用于微波器件衬底，不导电。如果要生长n型掺杂或p型掺杂的4H-SiC 也非常好控制，只要分别通入氮或者硼的气态源就可以实现，而且通过控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶体的导电强弱。目前瑞典的Norstel AB公司采用HTCVD 商业化生产碳化硅衬底材料（n型、p型、HPSI型），目前已有4英寸HPSI型4H-SiC

衬底出售。

1.2 SiC外延

为了制造碳化硅半导体器件，需要在碳化硅晶片表面生长1层或数层碳化硅薄膜。这些薄膜具有不同的n、p导电类型，目前主流的方法是通过化学气相沉积方法进行同质外延生长。碳化硅外延生长方案中，衬底起很大的支配作用，早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，即从晶锭上切割下来的晶片其外延表面法线与晶轴(c轴)夹角θ=0°，如碳化硅晶片的Si(0001)或C(000)面，外延表面几乎没有台阶，外延生长期望能够由理想的二维成核生长模型控制。然而实际生长发现，外延结果远未如此理想。由于碳化硅是一种多型体材料，外延层中容易产生多型体夹杂，比如4H-SiC外延层中存在3C-SiC夹杂，使外延层“不纯”，变成一种混合相结构，极大地影响碳化硅器件的性能，甚至不能用这样的外延材料制备器件。另外，这样的外延层宏观外延缺陷密度很大，不能用常规的半导体工艺制备器件，即薄膜质量难于达到晶圆级外延水平。

后来发展了偏8°斜切碳化硅衬底，经过几十年的不断发展完善，现在己经成为碳化硅外延的主要技术方案。与无偏角衬底比较起来，偏8°斜切衬底的外延表面有很高的台阶密度，且台面长度很短，一般为十几纳米，反应物容易从台面上迁移到台阶扭折处。外延时，不必等着扭折沿台面运动到表面边缘，所有的扭折可以同时以相似类的速率运动，直至外延生长结束，这就是所谓的台阶流控制(step-flow)外延生长机制。虽