一篇文章带你看懂SiC

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第一代半导体材料一般是指硅（Si）元素和锗（Ge）元素，其奠定了20 世纪电子工业的基础。第二代半导体材料主要指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）、砷化铝（AlAs）及其合金化合物等，其奠定了20 世纪信息光电产业的基础。第三代宽禁带半导体材料一般是指氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、金刚石等材料，其具有禁带宽度大、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，可以克服传统半导体的劣势，能够使设备在极端恶劣的条件下正常工作。因此，宽禁带半导体的材料可以在微电子领域发挥重要的作用，具有广阔的应用市场。

禁带宽度是半导体的一个重要特性参数，根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分成两种类型：宽禁带和窄禁带。若半导体材料的带隙宽度小于2.3eV，则称为窄带隙半导体，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半导体材料的带隙宽度大于或等于2.3eV，则称为宽带隙半导体，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化铝镓（AlGaN）等。半导体材料的禁带宽度越大，意味着其电子跃迁到导带所需的能量越大，从而材料能承受的温度和电压越高，即越不容易成为导体。

宽禁带半导体材料非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，其具有良好的抗辐射能力及化学稳定性、较高的饱和电子漂移速度及导热率、优异的电性能等特点。近年来，迅速发展起来的以GaN、SiC 为代表的宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为全球半导体产业新的战略高地。SiC 与GaN 是第三代宽禁带半导体材料中发展比较成熟的材料，本文主要研究这两类材料。

汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势，加上5G已商用，这些将带动第三代半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)的发展。根据拓墣产业研究院估计，2018年全球SiC基板产值将达1.8亿美元，而GaN基板产值仅约3百万美元。

第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。发展较好的宽禁带半导体主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些。

01

SiC材料及其制备工艺

SiC 具有独特的物理和电学特性，其可以通过热氧化工艺制备出SiO2，同时在氧化过程中使C 元素以气体的形式释放，制备出高质量的SiO2，进而可利用SiC 制作性能优良的金属– 氧化物– 半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）晶体管。

（一）SiC 材料结构及特性

SiC 为Ⅳ主族中Si 元素和C 元素组成的化合物，C 原子和Si 原子以共价键的形式连接。SiC 的基本结构单元是硅碳四面体，其相互连接形成各种紧密堆积的结构。Si—C 双原子层的堆积顺序不同，导致SiC具有多种晶体结构。其中，SiC 的同态多晶型主要有闪锌矿（Zincblende）结构、纤锌矿（Wurtzite）结构和菱形（Diamond）结构。SiC 的纤锌矿结构为α-SiC，SiC 的立方闪锌矿结构为β-SiC，根据晶体堆叠的不同呈现出多型结构，其中β-SiC（3C-SiC）和α-SiC（2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC）比较具有代表性，对于不同的晶体结构，其禁带宽度也有所差异，如图1 所示。

  

图1 SiC材料的常见多型结构

（a）SiC材料的晶体结构；（b）对应的禁带宽度

在SiC 的各种晶体类型中，3C-SiC 键能最低，晶格自由能最高且易成核，但其处于亚稳态，具有较低的稳定性及易发生固相转移的特点。在接近平衡态的条件下，当退火温度分别为1200℃和2000℃时，3C-SiC 会发生相变，部分转变为6H-SiC 和4H-SiC，其中3 种晶型的键能大小顺序为3C-SiC<6H-SiC< 4H-SiC，键能越小越不稳定，在外界条件影响下越容易发生相变。所以，通过改变外界条件，3C-SiC 可以发生相转变，变成其他晶型。目前，应用较多的是4H-SiC 材料，其禁带宽度为3.2eV，是Si 禁带宽度的3 倍左右，且热导率高，故多用于高温大功率的微电子器件领域。

（二）SiC 晶体的制备

图2（a）为SiC 相图，可以看出，在大气氛围中SiC 在2830℃下会分解为C 和含C 量为13% 的Si 熔液，因此无法从Si-C熔融体中进行晶体生长。在过去的30 年中，工业界已研发出采用升华的方式制备SiC 衬底的技术，使SiC 材料在低压惰性环境中升华，Si、SiC2、Si2C 等分子沿温度梯度迁移，并按照设计取向在单晶SiC 种子层上沉积而重新结晶成SiC 晶体，如图2（b）所示。采用新的物理气相传输（PVT）技术能够将晶体制备温度控制在1900~2400℃范围内。

图2 SiC的相图（a）和制备SiC的物理气相传输（PVT）技术（b）

SiC 存在各种多型体（结晶多系），它们的物性值也各不相同。SiC 晶体中存在多种缺陷，这些缺陷会降低其自身的质量。常见的晶体缺陷类型有微管、位错、层错、夹杂、多型共生等，如图3 所示。晶体缺陷给SiC 器件的应用造成了很大的阻碍。在这些缺陷当中，微管缺陷带来的后果最严重，SiC 器件的工作区域中任一微管缺陷都可能会导致器件的失效。

图3 常见的SiC晶体缺陷类型

虽然一些电子元器件能够在不使用外延层的情况下直接在衬底材料上制备，但高品质的SiC 器件仍然需要利用高品质的外延材料制备有源区。因此，低缺陷的SiC 外延生长技术对SiC器件质量有着重要的影响。随着SiC 功率器件制造要求和耐压等级的不断提高，其外延材料不断向低缺陷、厚外延方向发展。目前，批量生产SiC 外延材料的产业化公司有美国的CREE、Dow Corning，日本昭和电工（Showa Denko）等。

02

SiC MOSFET/Si IGBT 效能大有优势

SiC半导体材料中的晶体管功能，为整体电力供应链(从能源产生、传输及分配给消费者)的能源效率(以较少能源获得更多能源)提供了更大的潜力。

让我们仔细研究一下SiC MOSFET与Si IGBT的效能优势。图1显示了先进的硅解决方案范例：如果目标为高效率与高功率密度，具有650V与1200V Si IGBT的3-Level T类拓扑的一个相位脚通常会用于三相系统，例如光电变频器与UPS。采用此种解决方案，效率最高可达到20~25kHz的切换频率。由于装置电容较低、部分负载导通损耗较低，以及没有关断尾电流，因此1200V SiC MOSFET的电流损耗比1200V Si IGBT低约80%。在外部切换位置使用1200V SiC MOSFET可大幅提升效率，并在指定的框架尺寸中达到更高的输出功率。

图4 先进的硅解决方案范例

进一步提高切换频率会导致硅基解决方案效率与最大输出功率迅速降低，但SiC MOSFET的低切换损耗不会有此问题。透过此范例的证明，工作频率高达72kHz的三倍仍带来比24kHz运作之硅解决方案更高的效率。因此可缩减被动元件实体尺寸、减少冷却作业，并达到更低的系统重量与成本。

另一个三相电力转换范例是电动车的充电基础设施。1200V SiC MOSFET可为DC-DC转换级建构一个LLC全桥级，其中典型的硅解决方案倚赖650V Si超接面MOSFET，需要两个串联的LLC全桥来支援800V的DC链路。而四组SiC MOSFET加上驱动器IC即可取代八组Si超接面MOSFET加上驱动器IC，如图2所示。除了零件数量减少及电路板空间缩减之外，还可以使效率达到最佳化。在每个导通状态下，相较于Si解决方案中的四个切换位置，SiC MOSFET解决方案仅打开两个切换位置。在快速电池充电中使用SiC MOSFET，可实现高效率的充电周期。

图5 四组SiC MOSFET加上驱动器IC即可取代八组Si超接面MOSFET加上驱动器IC

由于动态损耗比1200V Si级低一个量级，因此SiC MOSFET亦可藉由提高效能，为传统的简单拓扑提供重新使用的机会。在图3中，将使用1200V SiC MOSFET的传统2-Level解决方案与先前提及的先进3-Level硅解决方案进行比较。2-Level拓扑结构的优点是控制方案非常简单，且减少50%的零件数量。此种解决方案可用于光电与UPS变频器，以及驱动系统、电池充电及能源储存解决方案中具有双向性的主动式前端。如图3所示，尽管切换频率从24kHz提高至48kHz，但在2-Level SiC MOSFET解决方案的高负载条件下，效率提高了0.3~0.4%，这的确令人惊奇，因为其切换电压较3 -Level运作高出两倍(800V比400V)。

图6 使用1200V SiC MOSFET的传统2-Level解决方案与先进3-Level硅解决方案比较

然而，以SiC MOSFET进行设计也存在着挑战。设计人员必须考量SiC MOSFET的切换瞬变。相较于经常可在1200V Si IGBT中见到的5~20V/ns，50V/ns或更高的dv/dt并不罕见。因此，电路板层级上的寄生耦合电容将导致过多的能源损耗。对于以更简单的2-Level解决方案取代3-Level Si IGBT解决方案的情况而言，如果切换电压与频率皆加倍，则寄生耦合电容将产生高出八倍的能源损耗。图3显示当SiC MOSFET在标准IGBT 2-Level解决方案中随插即用时的原始效率线，而下一个效率线则显示有关汲极-源极寄生电路板电容的PCB谨慎设计能如何减少损耗。当切换频率增加时，应考量的第二个主题涉及电感器的磁芯损耗。

由于涟波电流及其相应的损耗在整个负载范围内维持恒定，藉由改变芯材料来改善磁芯损耗主要会影响部分负载效率。相较于3-Level Si IGBT解决方案，这两项改善最终将带来高于98.5%的理想效率线。这显示SiC MOSFET主要并非Si IGBT的随插即用选项，而且需要大量的设计作业才能将效能提升到更高水准。

03

硅主流技术影响SiC可靠性/稳固性

目前为止，SiC MOSFET需要比Si IGBT或Si MOSFET更高的闸极驱动电压，而且经常面临极为接近零伏特的低闸极-源极临界值电压裕度。此微小的裕度使得闸极电压振铃尖峰处于高dv/dt旋转率，成为系统设计人员关注的问题。新型沟槽技术实现了标准化闸极驱动方案，使+15V的Si IGBT足以导通，而4V基准临界值电压可在电流关断时提供稳固的讯噪比。

SiC MOSFET还需要匹配的驱动器IC才能释放其所有潜力。这些驱动器必须处理高达50V/ns或更高的dv/dt以及高切换频率，对时序与公差带来了更严格的要求。SiC MOSFET也可能需要负闸极电压，特别是用于硬切换拓扑或米勒钳制时。因此，如英飞凌的EiceDRIVER IC便适合驱动SiC MOSFET，且可根据应用需求提供各种功能，包含紧密的传播延迟匹配、精确的输入滤波器、宽输出侧供电范围、负闸极电压功能或米勒钳制，以及扩展的CMTI功能。

SiC的可靠性与稳固性保证与硅主流技术密切相关。SiC是大功率的半导体，但是以此种材料设计MOSFET涉及各种技术挑战，包括调整效能参数以达到可靠性与稳固性。

设计平面SiC MOSFET时，必须在区域特定导通电阻与闸极氧化物可靠性之间取得主要的平衡，亦即「芯片成本与效能以及可靠性之间的权衡」。

平面SiC-SiO2介面上的缺陷密度在4H-SiC中非常高，这导致MOSFET通道中的电子散射，并因此降低电子通道移动率。效能降低会导致通道电阻增加，以及导通状态下功率损耗增加。只有透过在氧化物上施加过大的电场加以导通，或透过更高的闸极-源极电压或更薄的SiO2层，区域特定的导通电阻才能够保持在优良的低水准程度。

对于SiC材料中的沟槽MOSFET装置结构而言，由于垂直晶格平面中的SiO2介面具有远低于平面介面的缺陷密度，因此毋须过度驱动氧化物。然而，由于SiC材料中的高电场，沟槽结构对于沟槽转角处的阻隔模式而言是更大的挑战。实现适当场衰减的设计措施比平面结构更为复杂。

04

采用比例提升SiC成本不再高不可攀

在广泛采用SiC MOSFET之前，客户需确保合作的供应商能够稳定提供优质产品，且在需求增加时仍能维持水准。电源芯片商为此所建立的生产流程具有高容量及高灵活性，经验证可制造Si与SiC芯片，并组装成独立封装或电源模组。多项先进的功率装置技术先前皆已成功获得提升，例如CoolMOS、TRENCHSTOP IGBT及CoolSiC萧特基二极体；也致力于透过市场推广与增加产量推动CoolSiC MOSFET产品发展。

过去以来，SiC装置价格较硅装置高，是阻碍市场广泛采用SiC装置的因素之一。由于SiC与硅装置在原始晶圆制程中存有根本上的差异，因此SiC装置仍较为昂贵，而且在可预见的未来不会达到同等的成本。多年来由于采用比例提升、规模经济、新的区域有效芯片设计，以及生产更大的晶圆直径，SiC二极体价格已经下降。目前市场上SiC装置价格的下降及供货的增加，使得电源设计厂商面临提高电源转换效能并降低系统成本的压力，其需求也因此有所变更。

05

SiC功率器件发展面临的挑战

在技术方面，SiC具有高效率、高功率密度的优点，但成本较高。相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺有特殊要求等问题。

从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球SiC产量的70%~80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

我国开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，但我国多家半导体厂商也在积极布局SiC和GaN器件，华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。

对比欧美日国家，中国对于SiC材料和器件方面的发展，要集中优势资源扶持龙头企业和研究机构，形成规模效应。

因为第三代半导体涉及多个学科、跨领域的技术和应用，很多基础性研发不是企业能够解决的，要多科研院所合作，攻克技术难题。还要借助行业协会的力量，先行规划产业发展线路，在标准、检测、认证等方面内容。

【参考资料】

《新电子》杂志、lifree、《军民两用技术与产品》杂志2020年第3期等

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