第三代半導(dǎo)體---碳化硅

第三代半導(dǎo)體---碳化硅

地球上幾乎所有的能源都能轉(zhuǎn)換成電力，而電能用于特定目的都需要功率調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，目前主要調(diào)節(jié)功率的效率是由半導(dǎo)體器件性能所決定。

功率半導(dǎo)體主要用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)換和電路控制，是進行電能處理的核心器件。包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，除了保證設(shè)備正常運行，還能起到有效節(jié)能作用。

美國通用公司研制出世界上第一個工業(yè)用的普通晶閘管，也使硅Si走到人們面前。但是近年來，隨著技術(shù)生產(chǎn)的進步，硅固有的材料特性在某些領(lǐng)域幾乎達到了理論極限，例如，高阻斷電壓600V以上功率器件的應(yīng)用難題，即使在今天技術(shù)都很成熟的情況下，都不容易突破，由此可見，研發(fā)替代硅的新材料迫在眉睫。

90年代，新出現(xiàn)的碳化硅SiC，氮化鎵GaN，引起了科學(xué)家的希望。

因為出色的物理性能和成熟的工藝技術(shù)，還有與硅基材料加工工藝的極大的兼容性，讓碳化硅在同類寬禁帶半導(dǎo)體勝出。以最開始商用的4H-SiC肖特基二極管為例，其導(dǎo)通電阻比同類硅器件低兩個數(shù)量級。在同功率的等級下，碳化硅模塊體積明顯小于硅模塊。碳化硅已經(jīng)從生活中4C產(chǎn)業(yè)提升電能利用效率，到新能源車提高單次充電續(xù)航里程，還有光伏逆變器電能轉(zhuǎn)換率，甚至大功率領(lǐng)域的高壓直流輸電系統(tǒng)里處處可見了。

自然界的碳化硅，又叫金剛砂，存在于巖石中。作為晶體材料于1892年通過碳和二氧化硅在1950℃的高溫下放熱得到。后續(xù)經(jīng)美國工程師的不斷改良，才得到能用于晶體生長的高純碳化硅。直到現(xiàn)在逐步發(fā)展到了直徑為100-200mm的碳化硅晶體的生長。

目前，碳化硅還有很多瓶頸。比如，因為技術(shù)的壟斷，造價非常高。其次封裝大電流、功率器件的散熱問題和生長中缺陷導(dǎo)致的可靠性問題有待進一步突破。

碳化硅的主要生長方法：

碳化硅材料是個大家族，所有的成員從化學(xué)組成比例角度看，都是一樣的，50%的碳原子和50%的硅原子。隨著結(jié)構(gòu)之間的連接方式發(fā)生變化，就構(gòu)成了晶體結(jié)構(gòu)的多型。目前被確認的碳化硅晶體有250多種。

1、 籽晶升華生長

基本原理是碳化硅粉料在高溫和低壓下升華產(chǎn)生的主要氣相物質(zhì)（Si，Si2C，SiC2），隨著溫度梯度的下降沉積在溫度稍低的籽晶上，并在其上結(jié)晶。

籽晶升華生長是目前業(yè)界廣泛應(yīng)用的標(biāo)準工藝，關(guān)鍵點是石墨坩堝的溫度分布設(shè)計及氣體濃度控制的精度。

2、 高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）

物理氣相傳輸技術(shù)在當(dāng)今的碳化硅襯底生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，該生長系統(tǒng)基于一個立式的反應(yīng)器，在反應(yīng)腔體內(nèi)把反應(yīng)的前體（如SiH4和C2H4）在載氣中稀釋，然后通過加熱區(qū)向上送入籽晶容器。

3、 鹵化物化學(xué)氣相沉積（HCVD）

鹵化物化學(xué)氣相沉積從經(jīng)典的化學(xué)氣相沉積發(fā)展而來，是在高溫下生成碳化硅的工藝，用于薄層和厚層的沉積，是純化學(xué)技術(shù)，但是后續(xù)未得到進一步發(fā)展。

4、 改良版的物理氣相傳輸（M-PVT）

從技術(shù)上講，此技術(shù)的重要性在于提供了一種連續(xù)進料摻雜的可能性，并且可以改善摻雜均勻性，但是該工藝尚未有進一步發(fā)展。

5、 連續(xù)進料物理氣相傳輸（CF-PVT）

連續(xù)進料物理氣相傳輸?shù)膬?yōu)勢是結(jié)合了單晶生長的物理氣相傳輸和高溫化學(xué)氣相沉積的連續(xù)相，可以連續(xù)提供高純度多晶碳化硅源。可以實現(xiàn)特定的過飽和控制，這是生長幾毫米厚的大塊3C-SiC單晶的唯一工藝。

6、 頂部籽晶液相生長（TSSG）

頂部籽晶液相生長是一項晶體生長提拉技術(shù)與助溶劑生長方法的重大發(fā)展，該技術(shù)通常在高溫溶液中進行碳化硅的生長，產(chǎn)生的錯位密度低于其他方法，60多年前人們就嘗試使用這個方法，直到近期才有突破進展，成功生長出了碳化硅單晶晶體。缺點是生長速率極慢，不適用于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

目前碳化硅的缺陷：

在過去20多年中，碳化硅晶體的質(zhì)量有了很大提高。但無論是單晶碳化硅襯底還是外延層的生長，仍然有各種缺陷。對碳化硅器件的性能和可靠性產(chǎn)生了不同程度的影響。在4H-SiC的單晶生長和外延生長中，其物理缺陷主要包括結(jié)構(gòu)缺陷和表面缺陷。結(jié)構(gòu)缺陷主要存在于外延層中，包括微管（MP），螺旋位錯（TSD）和基矢面位錯（BPD）；表面缺陷包括三角形凹坑、生長坑和胡蘿卜凹槽。碳化硅中的高密度缺陷主要是螺旋位錯、基矢面位錯、刃型位錯（TED）和堆垛層錯（SF）等。

其中，碳化硅晶體中的高密度缺陷主要以螺旋位錯和基矢面位錯對器件的影響最大，因此必須將其密度降低到一定水平，才能確保器件可靠運行。

高溫退火工藝利用

重摻雜氮的4H-SiC晶體在超過1273K溫度的高溫處理過程中會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。這種結(jié)構(gòu)變化歸因于4H到3C晶型的轉(zhuǎn)變，這是由高溫退火期間雙層Shockley型層錯（DSSFs）的形成和擴展引起的。近來，關(guān)于重摻雜氮的4H-SiC晶體中形成DSSFs有了一系列新發(fā)現(xiàn)，比如在1423K的溫度下退火，整體電阻率呈各向異性的增長，當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高，達到2073K的溫度時，增加的電阻可以部分恢復(fù)，即部分下降。其中二極管的SSSFs通過低溫（483-873K）退火反而逆向生長，與在重摻雜氮的材料中觀察到的結(jié)果相似，SSSFs的收縮也與電阻率的恢復(fù)有關(guān)。

碳化硅外延工藝：

對所有碳化硅電子器件的制造而言，必須首先在碳化硅襯底上進行外延薄膜的生長，因為在襯底中無法進行擴散摻雜，且若在其中直接注入離子，會導(dǎo)致碳化硅的電氣質(zhì)量較差。由于同質(zhì)外延生長的碳化硅薄膜具有出色的電氣特性，目前幾乎所有的碳化硅高性能器件都使用這種外延薄膜制造。

碳化硅薄膜的的同質(zhì)外延生長可以通過各種方式實現(xiàn)，如氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、氣液固外延（VLS），后者是最近引入的外延制造方法，是VLS納米線和納米管生長的共同基礎(chǔ)。

引用：姚玉、洪華主編【第三代半導(dǎo)體技術(shù)與應(yīng)用】