第三代半导体材料碳化硅(SiC)研究进展

[摘 要]第三代半导体材料碳化硅(SiC)因其禁带宽度大、 热稳定性强、 热导率高、 抗辐射能力强等优点， 以耐高温、 高压、 高频著称， 在功率半导体领域有着广泛的应用前景而成为半导体材料的技术研究前沿和产业竞争焦点。本文详细论述了第三代半导体材料碳化硅(SiC)的生产方法、 研究进展和产业化现状， 提出了未来努力的方向和解决的方案， 并展望了其未来的发展趋势和应用前景。

[关键词]第三代半导体；碳化硅；进展
[中图分类号]TB34 [文献标识码]A, [文章编号]1007-1865(2021)09-0151-02

同第一代半导体材料硅(Si)、 锗(Ge)和第二代半导体材料砷化镓(GaAs)、 磷化液(InP)相比， 第三代半导体材料碳化硅(SiC)因禁带宽度大(3.2 eV， 约 3 倍于硅基材料)、 临界击穿电场强度高(10倍于硅基材料)、 电子饱和迁移速率大(2 倍于硅基材料)、 电子密度高、 热导率高(3 倍于硅基材料)、 介电常数低， 具备高频高效、耐高压、 耐高温、 抗辐射能力强以及化学性质稳定等诸多优越性能， 因而能制备出在高温下运行稳定， 在高电压、 高频率等极端环境下更为稳定的半导体器件， 是支撑固态光源和电力电子、 微波射频器件的“核芯” 材料和电子元器件， 可以起到减小体积简化系统， 提升功率密度的作用， 在半导体照明、 5G 通信技术、 太阳能、 智能电网、 新能源并网、 高速轨道交通、 国防军工、 不间断电源、 新能源汽车、 消费类电子、 快充、 无线充等战略新兴领域有非常诱人的应用前景， 对节能减排、 产业升级有着极其重要的作用， 正成为全球半导体产业新的科技制高点和新一轮科技革命的钥匙[1-3]。本文详细论述了第三代半导体材料碳化硅(SiC)的生产方法、 研究进展和产业化现状， 提出了未来努力的方向和解决的方案， 并展望了其未来的发展趋势和应用前景。

1 碳化硅的制备方法

碳化硅产业链主要包含粉体、 单晶材料、 外延材料、 芯片制备、 功率器件、 模块封装和应用等环节。
SiC 粉体：将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合， 于2,000 ℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒， 再经过破碎、 清洗等加工工序， 获得可以满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。
SiC 晶体： SiC 晶体的制备方法主要有物理气相传输法(physical vapor transport method， PVT 法)、高温化学气相沉积(CVD)和液相法(LPE 法)等。目前大规模产业化的主要采用物理气相传输法， 其以中频感应线圈为加热电源， 在涡流作用下高密度石墨发热体将被加热。将碳化硅(SiC)粉体填满石墨坩埚的底部， 碳化硅(SiC)籽晶粘结在距原料面有一定距离的石墨坩埚盖内部， 然后将石墨坩埚整体置于石墨发热体中， 通过调节外部石墨毡的温度，使碳化硅(SiC)的原料置于高温区， 而碳化硅(SiC)籽晶相应的处于低温区。在超过 2000 ℃高温下， 碳化硅原料分解成升华的硅原子、SiC2分子以及 Si2C 分子等气相物质， 气象物质在温度梯度的驱动下向低温区输送， 在碳化硅(SiC)籽晶的 C 面上形核成晶， 进而生长成碳化硅(SiC)晶体。为了提高碳化硅(SiC)原料的利用率， 使处于石墨坩埚最底部的原料能够顺利输送上去， 在生长过程中原料将缓慢上移[6]。

SiC 衬底：将碳化硅晶体通过整形加工、 切片加工、 晶片研磨、 抛光、 检测、 清洗等一系列机加工工序制成得到透明或半透明、 无损伤层、 低粗糙度的 SiC 衬底[7]。目前国际主流碳化硅衬底的产品规格已从 4 英寸向 6 英寸过渡， 且已经研制出了 8 英寸的导电型碳化硅衬底， 而国内的 4 英寸碳化硅衬底也已大规模产业化。
SiC 外延： 碳化硅外延材料生长的主要方法有化学气相淀积、液相外延、 分子束外延以及升华外延， 目前大规模生产主要采用的是化学气相淀积。以高纯的氩气或者氢气作为载体气体， Si 源气体和 C 源气体被载气带入淀积室发生化学反应后生成 SiC 分子并沉积在碳化硅衬底上， 其晶体取向与衬底相同[8]。根据掺杂类型的不同， 分为 n 型掺杂外延片和 p 型掺杂外延片。国内位于厦门的瀚天天成电子科技有限公司和位于东莞的天域半导体科技有限公司等生产厂家目前已能大规模生产 4 英寸和 6 英寸的 SiC 外延片。
SiC 器件： SiC 功率器件主要包括 SiC 二极管、 SiC 开关管和SiC 功率模块等， 以直插式(TO)封装为主， 目前国际上 600~1700 V的碳化硅(SiC)肖特基势垒二极管(SBD)、 金氧半场效晶体管(MOSFET)已经实现了大规模的产业化， 目前主流产品的耐压水平低于 1200 V。碳化硅功率模块是碳化硅金氧半场效晶体管和碳化硅二极管的组合， 通常将驱动芯片放置在功率模块以外的驱动板上。为了充分发挥碳化硅金氧半场效晶体管的最优性能， 碳化硅金氧半场效晶体管的驱动芯片也可集成到功率模块内部， 形成智能功率模块[4]。

2 研究进展及产业化现状
随着半导体照明、 5G 通信技术、 太阳能、 智能电网、 新能源并网等领域的火热， 高速轨道交通、 国防军工、 不间断电源、 新能源汽车、 消费类电子、 快充、 无线充等新兴应用的崛起， 对功率器件的性能提出了新的挑战。但传统的硅器件因受硅材料特性的影响已达到理论极限， 其性能已远远无法满足新兴应用的需求。在摩尔定律的驱动下找寻下一个硅器件的替代者已刻不容缓， 所以国际半导体大厂商纷纷将目光锁定在第三代半导体材料碳化硅， 其是制作耐高温、 高频、 大功率、 高密度、 高压器件的理想材料之一[9]。
碳化硅(SiC)目前全球的产业格局呈现美国、 欧洲、 日本三强争霸的态势。其中美国一家全球独大， 被美国 Cree、 美国Ⅱ -Ⅵ公司、 美国 Transphorm、 美国道康宁等行业巨头占据了全球 70 %以上的市场份额；欧洲拥有英飞凌、 意法半导体、 IQE、 Siltronic 等代表公司， 以构建从衬底到外延、 器件以及应用的完整 SiC 全产业链；日本的罗姆半导体、 三菱电机、 富士电机、 松下、 瑞萨电子、 住友电气等则是在终端设备和功率模块开发方面占据领先地位。国内碳化硅产业起步较晚， 但已形成一定基础， 目前正高速发展， 如 SiC 衬底制造商天科合达等， 外延制造商东莞天域、 瀚天天成等， 器件制造商南京国盛、 泰科天润等， 华润华晶微电子和华虹宏力也在积极布局 SiC 器件[10]。
在 SiC 单晶衬底方面， 美国Ⅱ -Ⅵ公司于 2015 年首次研制成功 8 英寸 SiC 单晶衬底， 美国 Cree、 Ⅱ -Ⅵ公司均于 2019 年宣布开始建设 8 英寸 SiC 单晶衬底生产线， 有望于 2022 年实现量产，美国 Cree 充分占据了专利技术、 规模化、 车规级产品认证壁垒等优势， 获得了全球约 60 %的 SiC 单晶衬底市场份额。目前国内已实现了 4 英寸 SiC 衬底的量产， 天科合达、山东天岳、河北同光、中科节能等公司通过与 中科院物理所、山东大学和中科院半导体所等科研院所的“产学研用” 合作， 均已完成 6 英寸 SiC 衬底的研发， 天科合达已于 2020 年启动 8 英寸 SiC 单晶衬底的研发工作，我国在 SiC 单晶衬底技术上已初步形成自主技术体系[8]在 SiC 外延片方面， 以美国道康宁、 美国 II-VI 公司、 瑞典 Norstel 公司、美国 Cree 公司等为首的外延片行业的龙头企业通过不断的发展，都已实现 4~6 英寸 Si C 外延片的产业化。国内的瀚天天成和天域半导体等生产厂家目前已能提供 4 英寸和 6 英寸的 SiC 外延片[8]。
在 SiC 功率器件方面， 市场和技术主要掌握在英飞凌、 罗姆、美国 Cree 公司、 和意法半导体等公司手上， 在 3300 V 以上电压等级上占剧绝对优势。在器件制造环节我国已出现了一批诸如斯达半导体、 三安集成、 比亚迪、 海威华芯、 泰科天润、中车时代、世纪金光、 芯光润泽、 深圳基本、国扬电子、士兰微、 扬杰科技、瞻芯电子、 天津中环、 江苏华功、大连芯冠、 聚力成半导体等在内的优秀企业。国产产品基本覆盖了各种电压级别， 已初步实现了低端产品的国产化替代，但高端产品依然严重依赖进口[11]。

2020年年底， 名古屋理工学院 Masashi Kato 教授领导的 SiC研究小组提出了一种无损测量碳化硅器件中载流子寿命的方法，科研人员通过激发激光器来创建载流子， 采用带有检测器的探针激光器来测量激发载流子的寿命。采用该种方法， 工程师们可以对载流子寿命进行微调， 以达到传导调制和低开关损耗的完美平衡， 为未来制备新一代更新、 更高性能的 SiC 器件提供了可能[12]。
3 存在的不足与解决方案
经过几十年的发展， SiC 技术和产业化水平发展迅速， 全球市场已经初具规模， 但仍有不少共性问题亟待科研人员共同解决。在 SiC 单晶衬底方面：大尺寸的 SiC 单晶衬底制备技术尚未完全成熟；更高效的 SiC 单晶衬底加工技术仍然缺乏；与 N 型衬底技术相比， P 型衬底技术的研发相对滞后。在 SiC 外延材料方面：N型 SiC 外延生长技术仍需进一步提高；P 型 SiC 外延技术尚未成熟。在 SiC 功率器件方面：因 SiC 单晶及外延技术的制约， 高质量的厚外延技术尚不成熟， 使得制造高压碳化硅器件存在挑战，且外延层的缺陷密度又制约了 SiC 功率器件向大容量方向的发展；SiC 器件工艺技术水平还较低， 严重制约了 SiC 功率器件的发展和推广；到目前为止仍未建立专门针对 SiC 器件特点的可靠性试验标准和评价方法。SiC 功率器件的驱动技术和保护技术仍需加强， 在应用中的电磁兼容问题还需进一步得到解决， 应用的电路拓扑还需进一步优化[13]。
以上存在的不足， 其根本原因是受制于制造成本高、 技术成熟度较低等瓶颈。亟需政府加强顶层设计， 制定战略规划， 为产业汇聚政策、 资本、 人才、 技术等方面的资源， 集中力量以攻克技术上的短板。同时， 进一步完善产业链公共研发、 服务、 生产应用等创新平台， 进一步加强国际合作， 以期共同攻克制造成本高、 技术成熟度较低等瓶颈。
4 总结与展望
SiC 器件因其具备高频高效、 耐高压、 耐高温、 抗辐射能力强以及化学性质稳定等诸多优越性能， 正被广泛应用于轨交、 功率因数校正电源、 风电、 光伏、 新能源汽车、 充电桩、 不间断电源等电力电子领域中。而新能源汽车的发展是 SiC 市场的最大驱动力， 根据 Yole 的预测[14]， 到 2025 年新能源汽车用 SiC 功率器件市场规模将达到 15.5 亿美元， 而 Cree 则更加看好该市场的增长， 预测到 2022 年 SiC 在电动车用市场规模将快速增长至 24 亿美元。
特斯拉 Model3 和国内比亚迪汉 EV旗舰车型已率先在电机控制器中应用 SiC 模块， 我们有充分的理由相信车用 SiC 黄金十年即将到来[15]。随着 SiC 功率器件成本的不断下降， 有望引领新能源汽车等诸多行业的变革， 在功率半导体的使用上迎来大规模的升级换代。

参考文献

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[9]刘翔， 刘尚． 宽禁带半导体行业深度：SiC 与 GaN 的兴起与未来[J]． 变频器世界， 2019(11)：41-48．
[10]谢欣荣． 第三代半导体材料氮化镓(GaN)研究进展[J]． 广东化工， 2020，47(18)：92-93．
[11]功率器件国产化迫切， 碳化硅成必争之地![N]． 中自网， 2020-07-24．
[12]Takashi Hirayama， Keisuke Nagaya， Akira Miyasaka， Kazutoshi Kojima，Tomohisa Kato ， Hajime Okumura ， Masashi Kato ． Nondestructive
measurements of depth distribution of carrier lifetimes in 4H-SiC thick epitaxial layers using time-resolved free carrier absorption with intersectional lights[J]． 2020， 91(12) ：123902．
[13]第三代半导体材料之碳化硅(SiC)[N]． 第三代半导体产业观察，2020-12-23．
[14]Yole Développement ． Power SiC 2019 Materials ， Devices ， andApplications[R]． 2019， 7．
[15]量产新能源车推动碳化硅产业链发展[N]． 腾讯网， 2021-01-22．

来源:广 东 化 工 第 48 卷 总第 443 期

作者：麦玉冰， 谢欣荣*(国家稀散金属工程技术研究中心， 广东先导稀材股份有限公司， 广东 清远 511517)