碳化硅——未来功率器件材料

    1 什么是碳化硅
    碳化硅（SIC）是半导体界公认的“一种未来的材料”，是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5～10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅（SI）材料的负载量已到达极限，以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。
    硅（SI）和碳化硅（SIC）以及其它半导体材料在电气特性和物理特性上有很大不同（表一），但有众所周知的相似元素和结构组成。
    
    
    表（一） 几种半导体材料性能比较
   

    事实上，碳化硅不是一种新发现的材料。有些人甚至争论说它是所有半导体的曾祖父。关于碳化硅的第一份报告是来自于1842年瑞典人之手。碳化硅不象其它矿物质那样有其自身矿藏，它也不会在自然界中自然出现，而需要用精炼炉的冶炼技术控制工艺来实现。早期碳化硅仅是用於研磨和切割用的材料。上一个世纪碳化硅的发展极其缓慢而艰难。表二显示了SIC的发展主要经历。
                           表（二） SIC材料发展史

    预计十年内（21世纪头十年）= 碳化硅器件会有突破性发展。无论是SIC单晶材料还是SIC器件制造工艺都有重大发展，碳化硅材料开始走向成熟。与硅材料一起共同作为当前和今后主要半导体材料，在有些器件领域起到不可替代的作用并占有恰当市场
    碳化硅是原子的复合体而不是单晶体，主要差异和性能在于硅和碳原子的相对数目，以及原子排列的不同结构。碳化硅的物理特性取决于晶体的碳硅原子排列结构，最普通和典型的是6方晶系的结构，称之为6H、4H和3C碳化硅。[next]
    SIC属于“宽禁带”半导体，物理特性与硅有很大不同。单晶碳化硅（SIC）比单晶硅（SI）具有很多优越的物理特性，例如（1）大约10倍的电场强度；（2）大约高3倍的热导率；（3）大约宽3倍禁带宽度；（4）大约高一倍的饱和漂移速度（见图1）。
   
                   

                               图1 单晶SIC和SI材料性能比较
    理论上SIC器件的工作温度在500℃或更高温度，而硅器件是无法实现的。碳化硅的导热率超过铜的导热率，器件产生的热量会快速传递，这无疑对器件的通流性能提高非常有利。
    SIC有很强的耐辐射性，作成的器件可以在核反应堆附近及太空中电子设备应用，较小的透射，高的电场强度以及高的饱和漂移迁移率有利于器件体积减少和复杂内部结构建立。
    因此可以预见到不久将来，SIC材料和器件工艺的完善。部分SI领域被SIC来替代是指日可待的目标。
    半导体材料发展的历史表明，“宽禁带”材料始终处在困难和进展缓慢的状态，如果要获得成功的快速发展，必须满足以下条件：
    l 适用及高效的衬底材料
    l 超大面积和高质量单晶体薄膜的生长
    l 能有效和精确地控制N型区和P型区的掺杂
    l 具有合适的有效的绝缘方法，例MIS器件
    l 开发表面造型和腐蚀工艺
    半导体材料开发成功与否的判据主要是做成器件的性能和适用程度。SIC器件用在功率变流装置领域和高温工作状态是十分理想的材料,。上个世纪末，SIC器件开发成绩显著，PN结器件最高电压4.5KV已经诞生，并取得成功应用的实践。已经显示SIC光控二极管的灵敏度比SI同类器件高4个数量级，另外电流特性可实现更高的功率密度。这对电力电子装置的体积、效率和性能都有显著的改进作用。还可以用于雷达、汽车、飞机、通讯等特殊要求的领域。随着SIC材料和器件工艺完善和成熟，在潜在领域真正实现其价值，而其它半导体是无法达到的环境条件，特别象太空的苛刻条件将为SIC器件优点提供一个绝好应用场合。因此无论如何 ，SIC是一种 “未来的材料”。[next]
    2 理想的功率开关器件
    电力半导体器件最主要特征是高电压,大功率,通态损耗小, 即功率半导体器件通态电阻小(通态压降小),开关速度(频率)快,开关损耗小.
    无功率损耗的功率开关器件是不存在的,但近几年来出现了几种与此接近的器件,即与传统的功率半导体器件相比, 通态压降,开关损耗都非常小,几乎接近理想的半导体器件.
    SI材料的MOSFET是一种驱动简单，开关频率和速度很快,功率损耗或称开关损耗很小的功率半导体器件,但至命缺点是电压不高 , 而且随电压升高 , 功耗迅速增加.IGBT是MOSFET的改进功率器件,同样具有MOSEFT器件驱动电路简单开关速度快的特点. 在20世纪80年代IGBT取代双极型结型晶体管, 耐压水平从几百伏很快上升到2KV以上的新型功率半导体器件.但高於2KV的功率装置系统,GTO或IGCT仍然牢牢的占领和控制着市场, 令IGBT望尘莫及. GTO、IGCT作为一种功率开关器件，具有高电压,大电流,能产生很高功率的一种器件, 但需 要用比MOSFET和IGBT更复杂和功率较大的控制电路来驱动.
    电力电子线路设计工程师希望有一种器件象MOSFET一样简单易用,还能象IGCT 和 GTO 一样产生很大功率的器件. SIC的MOSFET 器件基本能实现上述要求.
    由表（一）清楚地看出,SIC材料具有比SI材料更高的临界电场强度，;Emax (sic)的值大约是硅的10倍.因此同样设定PN结耐压,SIC器件所需衬底材料厚度将是SI器件的十分之一. PN结耐压与衬底材料厚度关系由图(2)三角形电场分布来描述，并由公式（1）计算最大阻断电压。
                           

                       图2 P+n-二极管阻断状态空间电场分布
    Vb是PN耐压；Emax是击穿电场强度; W耗尽层宽度（图2）耗尽层宽度W主要由掺杂量决定的（见公式（2），低掺杂层提供了耗尽层的大部分 
    Nd是低掺杂浓度，ε是相对介电常数，ε0是真空电容率，V是外加电压，Vdo是内建电势。
    低掺杂层提供较宽耗尽区（见图2）。SIC的击穿电场强度比SI大一个参数级，这意味有相同阻断电压的器件，为了增加更宽的耗尽层宽度，SI器件的掺杂浓度需低二个数量级，因此SI器件的有效基区宽度也近似为SIC的10倍。
    以5KV耐压的整流二极管硅器件为例，根据方程式（1），耗尽层的宽度大约是350μm，方程式（2）计算出的相应掺杂浓度约2.5×1013cm^-3 。而相同耐压的SIC器件高达8×1015cm^-3 左右。虽然上述计算比较近似，但已明显显示出SIC器件的优点。
    同样考虑5KV整流二极管，SI器件的少子寿命在10～100μs数量级，而SIC器件要求少子寿命比SI器件低1～2个数量级就足够了。 因为长的少子寿命不利于器件关断。
    另外热稳定性能能确保器件高温正常工作。因为器件的所有功耗会产生热量。它只能由衬底耗散。为了保证允许的工作温度，必须配置大的冷却装置将热量耗散。由于SIC的高热导率和高温的热稳定性，与SI相比较，冷却装置明显缩小，整个系统也做的较小。
    SIC的MOSEFT具有低的传导损耗
    MOSEFT器件是一种性能良好的开关器件,尤其适用于20KC频率以上的电力电子装置.器件击穿电压的关系由公式(3)定性给出
    方程(3)中Rds,on 是阻断PN结的特征电阻 (Ω-cm2);Vb是PN结阻断耐压;ε是介电常数; ε0是真空电容率;Emax最大临界场 μ是载流子（电子）迁移率。
    半导体物理特性显示，电阻Rds.on值随着漂移区宽度的增加而增大，随着掺杂浓度的增加而减少，这是因为载流子流动数量增加的缘故。[next]
    按照方式（3）不难看出，MOSFET漂移区的阻值随着击穿电压的增加成平方增加，对硅材料仅在几百伏就达到临界的最高值。而阻值是随着临界电场的增加成立方增加。因为SIC临界电场强度比硅要高10倍，所以SIC的MOSFET的传导损耗远低于硅器件。
    10KV双极型SIC晶闸管
    前面讨论可以断定，SIC制成的MOSFET器件和肖特基二极管的耐压远高于SI器件。可以高达几千伏电压水平，所以MOSFET器件有望在很多领域得到应用。
    SIC的双极型器件，例如晶闸管10KV耐压水平也是很容易制造，少子寿命只要能保持在1μs～10μs之间就能获得良好的开关特性。双极型SI晶闸管，典型击穿电压6KV-7KV，这是器件的制造成本特性。也是与通态损耗、开关损耗之间最佳折衷。极限条件为硅片厚度1mm左右，少子寿命为100μS左右。这种器件只能用于工频条件下的系统中，由于开关损耗的过大而限制了应用范围。
    SIC器件的工作温度
    SI双极型功率半导体器件，合适的工作温度小于125℃。单极型器件，例如MOSFET，最高工作温度为150℃。最高承受的温度是半导体材料的极限温度，即载流的密度不再由掺杂决定，而是由半导体的禁带宽度所决定，通常称为本征温度。此极限温度之上，所有电流控制能力和电压阻断能力都会消失。对SI而言，极限温度是300℃左右。SIC器件的工作温度比SI器件工作温度高得多。由于SIC的PN结漏电流极小，它能够在远高于300℃时还有阻断能力，极限温度可达到1000℃以上。
    美国一个研究中心开发出的碳化硅MOSFET，工作温度为650℃，这种高温能力为电力电子系统设计工程师创造很多有利条件。SIC器件的低损耗都是以硅器件对比而言的。 SIC器件和SI器件性能主要差异见表三 
                     表三 SI器件与SIC器件性能比较
   

    3 SIC器件制造
    SIC器件研发工作与SIC材料一样，西方发达国家，以大学和有实力的大公司为主体,投入大量资金、人力，并取得一定成果， 有很高水平的实验室样品，仅PN结耐压高达上万伏。但是真正具有商业价值，能有一定生产量的功率器件很少。最主要原因是SIC材料质量的制约。
    电力电子装置所需器件要求高电压、大电流、开关损耗小等特点。就电力电子器件而言，ABB公司在SIC器件研究开发方面在投入资金、成果水平都处在世界领先水平。研究成果之一是击穿电压为4.5KV PIN二极管和2.5KV JBS（结型势肖特基二极管）
    当前SIC的单极型器件的生产，材料质量问题的影响不大，仅影响大容量器件生产成品率，大功率器件采用几个芯片并联连接的形式进行封装。
    SIC材料的现状，对高压双极型器件，材料质量仍存在较大问题。可靠性指标还须不能满足实际需要，而且生产成品率很低。显而易见对电力电子器件而言，SIC材料仍然是一种可敬又可畏的材料。SIC的大功率器件实现实用性和商品化之前必须先解决材料的质量问题，最需解决是贯穿基片的微管缺陷的小孔（直径为0.1μm～5μm之间）。商品化可用的基片的微管密度不大于102～103/cm2,其次是能较好形成低掺杂浓度（小于1015cm-3）的厚层（50μm以上）和双极型器件的少子寿命。[next]
    美国CREE公司是世界上研发、生产SIC材料和器件最著名的公司。其中Φ35mm 4H-SIC晶片,采用热盘CVD生长35～45 μm厚的外延层，掺杂浓度为1015cm-3以下。这种掺杂取决于采用的临界电场强度，理论阻断电压是4.5～６ＫＶ。ABB公司采用一台有特殊功能的光学显微镜，将20mm2 、40mm2面积二极管方形芯片放置在无缺陷的晶片位置。这台仪器可将每一片从CREE公司购进的晶片进行检验，用计算机自动检测，识别并记录在电脑中每个缺陷在SIC晶片上正确位置。并自动生成20mm2，40mm2芯片的位置，而且还自动形成工艺性文件资料，并绘制出芯片的布置平面图形。 
   
              

                     图3 SIC晶片上各种尺寸芯片平面布图
    检查微管缺陷采用激光探头，计算机识别，数据分析并绘出一个晶图片上芯片分布图，大面积的芯片位置之外的剩余地方布置小型（1～5mm2）检测器件。（图3）
    ABB公司研究中心的器件研究重点，工艺包括腐蚀，介质淀积、氧化、光刻、金属化和欧姆接触的形成。光刻工艺采用激光系统平板印刷技术（Laser Lithagraphic system）。这与传统IC工艺不同，主要原因是SIC晶片表面粗糙不平，而且需进行9次曝光。重要的是Laser系统与计算机机系统连用便于自动定位。
    目前SIC器件，特别是双极型功率器件难于商品化、批量生产，主要原因:
    （1）SIC单晶材料缺陷多，至今材料质量还未真正解决；
    （2）设计和工艺控制技术比较困难； 
    （3）工艺装置特殊要求，技术标准高，例离子注入, 外延设备，激光曝光光刻机等； 
    （4）资金投入很大，运行费用和开发费用昂贵,一般很难开展研发工作。
    当前世界上研发SIC器件有美国的Cree公司，德国西门子公司，日本的东芝公司，三菱公司，富士公司。ABB公司与瑞典等合作，投入巨资开展了主要用于输变电工程的二极管，取得商品化成功。德国西门子公司的产品定位在1200V以下低压，小功率器件，已经达到商用化。ABB公司的产品主要定位在4500V，高压大电流器件。[next]
    4 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。
   
         

               图4 SIC工业生产的晶片和最佳晶片的微管密度的进展
    制造不同器件成品率为40% 和90% 的微管密度值
    图4看出，现在SIC材料，光电子器件已满足要求，已经不受材料质量影响，器件的工业生产成品率，可靠性等性能也符合要求。高频器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二极管内的单极器件。SIC材料的微管缺陷密度基本达到要求，仅对成品率还有一定影响。高压大功率器件用SIC材料大约还要二年的时间，进一步改善材料缺陷密度。总之不论现在存在什么困难，半导体如何发展， SIC无疑是新世纪一种充满希望的“未来的材料”。