最成熟的宽禁带第三代半导体材料——碳化硅SiC

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半导体材料的发展历程
 
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体,半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
 
目前的半导体材料已经发展到第三代。第一代半导体材料主要以硅(Si)、锗(Ge)为主,20世纪50年代,Ge在半导体中占主导地位,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被Si器件取代。用Si材料制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好。Si储量极其丰富,提纯与结晶方便,二氧化硅(SiO2)薄膜的纯度很高,绝缘性能很好,这使器件的稳定性与可靠性大为提高,因此Si已经成为应用最广的一种半导体材料。目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。在21世纪,它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。
 
20世纪90年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,能污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。
 
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第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,是半导体材料领域最有前景的材料,在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景,在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失,最高可以使装备体积减小75%以上,对人类科技的发展具有里程碑的意义。
 
 
第三代半导体材料
 
 
碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。SiC材料方面的企业以Cree、II-VI、Dow Corning等为代表,其中2013年Cree开发出6英寸SiC单晶产品,其微管密度低于1个/cm2;多家公司研发出厚度超过250μm的SiC外延材料样品,并批量提供中低压器件用SiC外延材料产品。在SiC器件方面,国际上报道了10kV~15kV/10A~20A的SiC MOSFET、超过20kV的SiC功率二极管和SiC IGBT芯片样品。Cree和Rohm公司开发了SiC MOSFET产品,电压等级从650V~1700V,单芯片电流超过50A,并开发出1200V/300A、1700V/225A的全碳化硅功率模块产品。
 
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碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟,应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗,因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。
 
尽管目前碳化硅半导体造价过高限制了其应用领域,但伴随着新能源革命及物联网等信息技术发展,宽禁带化合物半导体未来几年前景必然是向好的。据业内分析数据显示“凭借着优异的性能特点,宽禁带化合物半导体市场规模预计将在2020年成长至440亿美元”,而碳化硅半导体作为宽禁带化合物半导体重要的一员,其未来将“钱景无线”,下文将对碳化硅的优势应用领域做介绍。
 
1、半导体照明领域

西安交大云峰教授如是说“假如把我国1/3的照明替换成LED半导体照明,那么每年可以节约一个三峡工程的发电量。”碳化硅作为LED器件衬底是其目前应用最为成熟的领域,市场上90%的SiC晶片被用于制造高亮度LED衬底材料。采用碳化硅作为衬底的LED期间亮度更高、能耗更低寿命更长、单位芯片面积更小,在大功率LED方面具有非常大的优势。

 

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ROHM彩灯节现场图

彩灯节所使用的LED为罗姆生产。罗姆自1973年开始生产直插式LED以来,连续45年从事行业领先的产品开发。关于彩灯节必不可少的罗姆LED产品,罗姆LED制造部的工程师如是说:“可以说,罗姆LED的最大优势在于,全面而严格的品质管理和利用垂直统合型生产体制(从元件制造阶段开始就严格贯彻产品理念)独立开发产品。在LED开发过程中,也始终秉持罗姆‘品质第一’的企业理念,比如采用在装配工序易于制造的芯片设计,对超小型产品实施可追溯管理,按照车载级产品的品质要求进行流程管理等。罗姆非常重视生产技术和品质管理,从而能够为客户提供小型化、高可靠性的独创型LED产品,满足客户的多样化需求。”

 

2、新能源汽车及不间断电源等电力电子领域

罗姆从2002年左右就开始进行碳化硅前期的研究,在碳化硅的历程来说,经验非常丰富的,拥有18年的碳化硅研发的经验。
 
第二,有一条龙的生态体系,有完整的碳化硅产业线,包括晶圆、原材料、封装等都是罗姆一条龙来做的。
 
第三,罗姆拥有业界比较先进的Trench技术。最近普通硅基半导体已经用Trench技术做了,碳化硅稍微晚一点,但是罗姆走在前面。
 
第四,ROHM的碳化硅的可靠性非常高。
 
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整体来看,有几个重要的时间点,09年收购了一家碳化硅晶圆原材料厂家。2010年开始量产SiC-SBD和全球首个量产SiC-MOS,2012年全球首个量产全碳化硅功率模块,2015年全球首个量产Trench构造的SiC-MOS。去年全球领先的6英寸的碳化硅晶圆也开始量产。
 
现在看到的是ROHM是从原材料晶圆加工到最后的封装都是一条龙生产体系。现在碳化硅应用的场景在左上角列举出来,主要应用的地方是新能源、光伏、逆变、服务器电源、UPS等。最近两三年随着电动汽车迅猛发展,碳化硅需求量也增长得非常迅猛。那么,在新能源汽车上具体用在什么地方呢?我们图上黄色标志的地方。我今天主要跟大家介绍的是三电系统比较大的电控部分。
 
罗姆碳化硅已经在全球20多家汽车上得到量产,包括OBC、车载DCDC等部件。而OBC和车载DCDC相对来说技术比较成熟,今天讲的重点是电控部分,在电控产品上怎么发挥碳化硅的特长,这是今后研究的方向。
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