【行业分享】备受期待的碳化硅功率器件

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碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。
 
碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途,例如:以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命1~2倍;用以制成的高级耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
 
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。
 
2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品,美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本,罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。
 
2013年9月29日,碳化硅半导体国际学会“ICSCRM 2013”召开,24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会,人数达到794人次,为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商,如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。
 
到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。
 
碳化硅(SiC)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对SiC的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划,而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。
 
与普通硅相比,采用碳化硅的元器件有如下特性:
 
高压特性
 
碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍,碳化硅肖特基管耐压可达2400V。
 
碳化硅场效应管耐压可达数万伏,且通态电阻并不很大。
 
2
 
高频特性
 
3
 
高温特性
 
4
 
在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。然而,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。
 
目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。通过不断的研究开发,预计到2010年前后,碳化硅器件将主宰功率器件的市场。但实际上并非如此。
 
人们是如何评价碳化硅的?
 
碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面 积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗,工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外,碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。
 
近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。
 
目前碳化硅器件发展情况如何?
 
1,技术参数:举例来说,肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上,芯片面积小了,但电流只有几十安。工作温度提高到180℃,离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意,与硅材料没有差别,高的正向压降要达到2V。
 
2,市场价格:约为硅材料制造的5到6倍。
 
碳化硅(SiC)器件发展中的难题在哪里?
 
综合各种报道,难题不在芯片的原理设计,特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。
 
1,碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷,在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前,大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2 的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体,微管密度低于0.5cm-2 。
 
2,外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题,温度不能太高,一般不能超过1800℃,因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高,但产量较低。
 
3,掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂,碳化硅扩散温度远高于硅,此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定,因此不宜采用扩散法掺杂,而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多,注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重,往往要在相当高的衬底温度下进行,并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前,p型离子注入的问题还比较多,从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。
 
4,欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极,要求接触电阻低于10- 5Ωcm2,电极材料用Ni和Al可以达到,但在100℃ 以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h ,不过其接触比电阻高达10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。
 
5,配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作,但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如,电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。
 
以上仅举数例,不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法,如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面,行业中还有没有达成一致的结论等,大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。
 
为什么SIC器件还不能普及?
 
早在20世纪60年代,碳化硅器件的优点已经为人们所熟知。之所以目前尚未推广普及,是因为存在着许多包括制造在内的许多技术问题。直到现在SIC材料的工业应用主要是作为磨料(金刚砂)使用。
 
SIC在能够控制的压力范围内不会融化,而是在约2500℃的升华点上直接转变为气态。所以SIC 单晶的生长只能从气相开始,这个过程比SIC的生长要复杂的多,SI在大约1400℃左右就会熔化。使SIC技术不能取得商业成功的主要障碍是缺少一种合适的用于工业化生产功率半导体器件的衬底材料。对SI的情况,单晶衬底经常指硅片(wafer),它是从事生产的前提和保证。一种生长大面积 SIC衬底的方法以在20世纪70年代末研制成功。但是用改进的称为Lely方法生长的衬底被一种微管缺陷所困扰。
 
只要一根微管穿过高压PN结就会破坏PN结阻断电压的能力,在过去三年中,这种缺陷密度已从每平方毫米几万根降到几十根。除了这种改进外,当器件的最大尺寸被限制在几个平方毫米时,生产成品率可能在大于百分之几,这样每个器件的最大额定电流为几个安培。因此在SIC功率器件取得商业化成功之前需要对SIC的衬底材料作更大技术改进。
 
5
 
碳化硅电力电子器件产业链
 
SiC产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节以及下游的应用环节。当然还有配套的设备、材料等环节,本期不做重点介绍。
 
衬底环节
 
大陆SiC衬底生产企业包括天科合达(870013.OC)、山东天岳、河北同光、北京世纪金光和中科节能等,此外,三安光电收购的瑞典企业Norstel。
 
境外SiC衬底生产企业包括美国Cree、II-VI、道康宁、日本Rohm和NSC等。其中Cree和Rohm已经整合了从SiC衬底到模组的全产业链生产环节。
 
1、天科合达
 
天科合达公司成立于2006年9月,目前注册资本10364.28万元,是国内成立时间最早、目前生产规模最大、产品种类最全的专注于第三代半导体碳化硅单晶晶片生产的高新技术企业,同时也是国内唯一能批量供应工业级碳化硅晶片的企业。公司是中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟的理事长单位,是中关村标准化试点单位和北京市专利试点单位,SiC单晶材料领域唯一一家 “新三板”挂牌企业(股票代码:870013)。公司团队拥有博士11人,获得授权发明专利近40件(包括5项国际专利),形成了碳化硅晶片制备全工艺流程知识产权体系,彻底打破了国外的技术和专利封锁,为国产碳化硅晶片生产和全球销售扫清障碍。创制并发布实施了4项国标,1项行标和4项团标,其中《碳化硅单晶抛光片》为碳化硅半导体领域唯一一项国家产品标准。技术来源于中国科学院物理研究所,公司先后荣获科技部授予的“十一五”国家科技计划执行优秀团队奖、北京市科委认定的“北京科技研究开发机构”、省部级科技进步一等奖等荣誉。“大尺寸SiC晶片”、“2-6英寸SiC晶体生长炉”先后成功入选北京市第六批、第七批“新技术新产品”认证。公司总部—北京天科合达半导体股份有限公司设在北京市中关村科技园区海淀园,总部主要从事公司管理、销售和产业化研发。前瞻研发中心为公司与中科院物理所联合共建,定位于前沿关键技术探索研究,如碳化硅单晶液相法生长技术研究、石墨烯制备技术研究、AlN生长技术研究和碳化硅单晶在激光晶体上的应用等。公司下属两家全资子公司,分别为位于北京市大兴区的北京天科合达新材料有限公司和新疆石河子市的新疆天科合达蓝光半导体有限公司。北京天科合达公司定位于产业化关键共性技术研发和产品工艺稳定性及成品率提高等产业化验证。
 
新疆天科合达公司定位于大规模产业化基地,拥有可年生产大尺寸碳化硅单晶片7万片的生产能力。2016年8月,公司4英寸半绝缘碳化硅片和6英寸导电碳化硅片正式下线。自2009年以来,天科合达公司连续被国际著名半导体咨询机构YOLE公司列为全球碳化硅晶片主要制造商之一。天科合达将抓住行业大好发展机遇快速做大做强,成为第三代半导体行业的独角兽。推动形成第三代半导体产业集群,在保持自身持续高速发展的同时,承担更多社会责任,为我国军事、信息、经济安全和制造强国发展作出更大贡献。
 
2、山东天岳
 
山东天岳成立于2010年,碳化硅单晶生长和加工技术来自山东大学晶体材料国家重点实验室的技术转让。山东天岳公司发展起源碳化硅材料,致力于碳化硅产业链的发展,在做好材料的同时,公司在碳化硅芯片及电子应用领域进行了技术储备和产业布局。
 
3、河北同光
 
河北同光晶体有限公司成立于2012年5月28日,位于河北省保定市高新区。河北同光和中科院半导体所紧密合作,打造了一支具有国内领先水平的研发队伍,中科院半导体所和河北同光成立了“第三代半导体材料联合研发中心”,并在河北同光建立院士工作站,中科院半导体所成果转化基地。
 
4、北京世纪金光
 
北京世纪金光成立于2010年12月24日,始建于1970年,其前身为中原半导体研究所。公司主营宽禁带半导体晶体材料、外延和器件的研发与生产,是国内贯通整个碳化硅全产业链的高新技术企业,既:碳化硅高纯粉料→单晶材料→外延材料→器件→功率模块制备。2018年2月1日,北京世纪金光6英寸碳化硅器件生产线成功通线。
 
5、中科钢研
 
中科钢研节能科技有限公司成立于2016年6月,是由中国钢研科技集团控股的新冶集团(占股40%)、国宏华业投资有限公司(占股35%)和公司骨干员工(占股25%)三方共同出资成立的由央企控股的混改公司。未来三年(2018-2020年),中科钢研致力于突破6英寸“高品质、低成本”导电型碳化硅晶体升华法长晶工艺及装备、4英寸无掺杂高纯半绝缘碳化硅晶体高温化学气相沉积法长晶工艺及装备,并达到产业化应用水平,将联合国宏华业投资有限公司等4至5家已取得共识的合作单位通过全国布局投资30亿人民币,打造国内最大的碳化硅晶体衬底片生产基地。
 
6、Norstel
 
Norstel成立于2005年2月,是从硅晶圆片制造商Okmetic Oyj分离出来的企业。位于瑞典Norrköping 的工厂建成于2006年。Norstel采用用高温化学气相沉积(HTCVD)专利技术,生产高质量大尺寸的SiC衬底和外延片。
 
外延环节
 
大陆专注做SiC外延的企业包括瀚天天成和东莞天域,世纪金光和Norstel也有SiC外延生产业务。此外,国民技术(300077.SZ)全资子公司国民投资拟与陈亚平技术团队等合作设立成都国民天成化合物半导体有限公司,建设和运营6吋第二代和第三代半导体集成电路外延片项目。
境外SiC外延生产企业包括美国Cree、道康宁、日本Rohm和NSC和台湾嘉晶电子等。
 
1、瀚天天成
 
瀚天天成成立于2011年,是中美合资企业(董事长赵建辉博士为美籍华人)。赵建辉于1988年获得美国卡内基梅隆大学工学博士,是美国第一个因对碳化硅研发及产业化做出重大贡献而被评选为国际电机电子工程院士的领军者。公司是中国第一家提供产业化3、4和6英寸SiC 外延片的企业。公司引进德国Aixtron公司制造的全球先进的碳化硅外延晶片生长炉和各种进口高端检测设备,形成了完整的碳化硅外延晶片生产线。
 
2、东莞天域
 
公司成立于2009年1月7日。2010年5月公司与中国科学院半导体所合作成立了“碳化硅技术研究院”。目前公司已引进4台世界一流的SiC-CVD(德国Aixtron和意大利LPE)及配套检测设备。
 
器件、模组环节
 
类似于集成电路的制造,SiC器件的生产也已经开始出现分工,但目前仍以IDM模式为主。
水平分工层面,SiC器件的生产分为芯片设计、芯片制造和封装测试环节。芯片设计企业包括台湾瀚薪科技和美国的USCi等,代工企业包括大陆的三安集成和海威华芯、法国离子束、德国X-Fab以及台湾汉磊科技等。
大陆SiC器件和模组IDM生产企业主要包括泰科天润、芯光润泽、深圳基本、世纪金光和扬州国扬电子等SiC器件生产企业以及中车时代电气(3898.HK)、士兰微(600460.SH)和扬杰科技(300373.SZ)等传统功率器件生产企业。
境外SiC器件和模组IDM生产企业包括德国英飞凌、美国Cree、美国通用、美国GeneSiC、日本Rohm和日本三菱电机等。
此外,瑞典Ascatron和法国CALY公司采用轻晶圆厂的商业模式,公司以设计业务为主,大部分器件制造和封装业务交由代工厂处理。
 
1、三安集成
 
三安集成注册成立于2014年,目前在第三代半导体领域定位做代工服务。公司成功收购瑞典SiC衬底和外延生产企业Norstel,并与美国代工企业GCS设立合资公司三安环宇,三安持股51%。
 
2、海威华芯
 
2015年,四川海特高新技术股份有限公司收购中电科29所旗下成都嘉石科技,控股53%,成立海威华芯。2016年4月,海威华芯第一条6英吋第二代化合物半导体集成电路生产线贯通,该生产线同时具有砷化镓、氮化镓以及相关高端光电产品的生产能力。同时公司在GaN、SiC等化合物半导体领域已逐渐展开布局。
 
3、泰科天润
 
泰科天润成立于2011年是中国第一家致力于碳化硅(SiC)功率器件研发、制造与销售于一体的的生产型高科技企业。
 
4、芯光润泽
 
 芯光润泽公司成立于2016年3月,规划总投资20亿,主要进行第三代半导体碳化硅功率模块的设计、研发及制造,形成硅基和碳化硅半导体材料的 IGBT、MOSFET、FRD、SBD、JBS 等大功率分立器件、大功率模块系列产品生产线,是国内先进的碳化硅功率模块封装厂之一。
 
5、深圳基本半导体
 
深圳基本半导体成立于2016年,由瑞典碳化硅领军企业Ascatron AB联合青铜剑科技(主打产品IGBT驱动芯片)、力合科创、英智资本联合打造,并与深圳清华大学研究院共建“第三代半导体材料与器件研究中心”,从事碳化硅功率器件的研发与产业化。基本半导体通过引进由海归人才和外籍专家组成的高层次创新团队,对碳化硅器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等各方面进行研发,覆盖产业链各个环节,建立了一支国际一流的研发和产业化团队。
 
6、扬州国扬电子
 
扬州国扬电子成立于2014年,是中国电子科技集团公司第55研究所控股公司。主要产品设计IGBT模块、大功率智能模块、SiC混合功率模块及全SiC功率模块等系列产品。
 
应用环节
 
SiC电力电子器件不仅能够在开关电源,不间断电源,工业控制,直流、交流输电等传统工业领域广泛应用,而且在太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。
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