劉興昉 陳宇

碳化硅半導(dǎo)體（這里指4H-SiC）是新一代寬禁帶半導(dǎo)體，它具有熱導(dǎo)率高（比硅高3倍）、與GaN晶格失配?。?%）等優(yōu)勢(shì)，非常適合用作新一代發(fā)光二極管（LED）襯底材料[1]、大功率電力電子材料[2]。

采用碳化硅作襯底的LED器件亮度更高、能耗更低、壽命更長(zhǎng)、單位芯片面積更小，且在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。此外，碳化硅除了用作LED襯底，它還可以制造高耐壓、大功率電力電子器件如肖特基二極管（SBD/JBS）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、晶閘管（GTO）、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等，用于智能電網(wǎng)、太陽(yáng)能并網(wǎng)、電動(dòng)汽車等行業(yè)。與傳統(tǒng)硅基功率電力電子器件相比，碳化硅基功率器件可以大大降低能耗，節(jié)約電力。比如一臺(tái)35kW的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器，全部使用硅器件，能耗可達(dá)2.8kW，轉(zhuǎn)換效率為92%，全部換成碳化硅的器件后，能耗可低至1.4kW，約為硅逆變器的50%，轉(zhuǎn)換效率上升4%，為96%，一座30MW的太陽(yáng)能發(fā)電站，全部使用碳化硅功率器件后可節(jié)約大量電能，節(jié)能效果十分顯著。碳化硅可在超過(guò)200℃的高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，因此，相比于硅，碳化硅方案可以大量縮減冷卻負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和一體化。碳化硅基電力電子器件已經(jīng)應(yīng)用于新一代航空母艦的電磁彈射系統(tǒng)，大幅度提高了艦載機(jī)起降效率，增強(qiáng)了航母作戰(zhàn)性能。

此外，碳化硅材料的重要用途還包括：微波器件襯底[3]、石墨烯外延襯底[4]、人工鉆石。碳化硅（指半絕緣型）是射頻微波器件的理想襯底材料，以之為襯底的微波器件其輸出功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的10倍以上，工作頻率達(dá)到100GHz以上，可以顯著提高雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗以及智能武器的整體性能和可靠性，使用碳化硅基微波器件的雷達(dá)其測(cè)距由原來(lái)的80～100km提升到現(xiàn)在的超過(guò)300km。在碳化硅襯底上外延生長(zhǎng)石墨烯，可望制造高性能的石墨烯集成電路，是當(dāng)前國(guó)際研發(fā)的熱點(diǎn)，IBM（美國(guó)）已經(jīng)投入了巨資進(jìn)行研發(fā)[5]，并取得了重要進(jìn)展，在半絕緣型碳化硅上創(chuàng)建了全球首個(gè)全功能石墨烯集成電路[6]。碳化硅晶體的硬度僅次于鉆石，其明亮度、光澤度和火彩甚至超過(guò)了鉆石，基于碳化硅的人工鉆石（莫桑鉆）也已經(jīng)面市。

碳化硅已成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的前沿和制高點(diǎn)。作為新興的戰(zhàn)略先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，它是發(fā)展第3代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。2014年，美國(guó)新興制造產(chǎn)業(yè)的第1個(gè)產(chǎn)業(yè)制造創(chuàng)新中心——以碳化硅半導(dǎo)體為代表的第3代寬禁帶半導(dǎo)體創(chuàng)新中心，獲得了聯(lián)邦和地方政府的合力支持，1.4億美元的總支持額將用于提升美國(guó)在該新興產(chǎn)業(yè)方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[7]。研究重點(diǎn)是：在未來(lái)的5年里，通過(guò)使寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)擁有當(dāng)前基于硅的電力電子技術(shù)的成本競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)下一代節(jié)能高效大功率電力電子芯片和器件。這些改進(jìn)措施將使電力電子裝置，如電機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品，以及電網(wǎng)設(shè)備得以更快、更高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，且大幅度縮小其體積。日本也對(duì)碳化硅進(jìn)行了大量投入，將發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)列入“首相計(jì)劃”，認(rèn)為未來(lái)日本50%以上的節(jié)能將由碳化硅實(shí)現(xiàn)。我國(guó)政府幾乎在相同時(shí)期發(fā)布了新材料領(lǐng)域發(fā)展綱要，明確提出重點(diǎn)發(fā)展以碳化硅等為代表的第3代半導(dǎo)體材料[8]。

從整體上來(lái)看，碳化硅半導(dǎo)體完整產(chǎn)業(yè)鏈條包括：碳化硅原料-晶錠-襯底-外延-芯片-器件-模塊，如圖1所示。本文介紹了國(guó)內(nèi)外碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注碳化硅單晶生長(zhǎng)、外延生長(zhǎng)、碳化硅器件等方面的構(gòu)成、熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。

一、碳化硅單晶

碳化硅早在1842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到1955年，飛利浦（荷蘭）實(shí)驗(yàn)室的Lely才開(kāi)發(fā)出生長(zhǎng)高品質(zhì)碳化硅晶體材料的方法。到了1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的SiC襯底進(jìn)入市場(chǎng)，進(jìn)入21世紀(jì)后，SiC襯底的商業(yè)應(yīng)用才算全面鋪開(kāi)。碳化硅分為立方相（閃鋅礦結(jié)構(gòu)）、六方相（纖鋅礦結(jié)構(gòu)）和菱方相3大類共260多種結(jié)構(gòu)，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC才有商業(yè)價(jià)值，美國(guó)科銳（Cree）等公司已經(jīng)批量生產(chǎn)這類襯底。立方相（3C-SiC）還不能獲得有商業(yè)價(jià)值的成品。

SiC單晶生長(zhǎng)經(jīng)歷了3個(gè)階段，即Acheson法、Lely法[9]、改良Lely法。利用SiC高溫升華分解這一特性，可采用升華法即Lely法來(lái)生長(zhǎng)SiC晶體。升華法是目前商業(yè)生產(chǎn)SiC單晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩堝和多孔石墨管之間，在惰性氣體（氬氣）環(huán)境溫度為2 500℃的條件下進(jìn)行升華生長(zhǎng)，可以生成片狀SiC晶體。由于Lely法為自發(fā)成核生長(zhǎng)方法，不容易控制所生長(zhǎng)SiC晶體的晶型，且得到的晶體尺寸很小，后來(lái)又出現(xiàn)了改良的Lely法。改良的Lely法也被稱為采用籽晶的升華法或物理氣相輸運(yùn)法[10]（簡(jiǎn)稱PVT法）。PVT法的優(yōu)點(diǎn)在于：采用SiC籽晶控制所生長(zhǎng)晶體的晶型，克服了Lely法自發(fā)成核生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可得到單一晶型的SiC單晶，且可生長(zhǎng)較大尺寸的SiC單晶。

國(guó)際上基本上采用PVT法制備碳化硅單晶。目前能提供4H-SiC晶片的企業(yè)主要集中在歐美和日本。其中Cree產(chǎn)量占全球市場(chǎng)的85%以上，占領(lǐng)著SiC晶體生長(zhǎng)及相關(guān)器件制作研究的前沿。目前，Cree的6英寸SiC晶片已經(jīng)商品化，可以小批量供貨[11]。此外，國(guó)內(nèi)外還有一些初具規(guī)模的SiC晶片供應(yīng)商，年銷售量在1萬(wàn)片上下。Cree生產(chǎn)的SiC晶片有80%以上是自已消化的，用于LED襯底材料，所以Cree是全球唯一一家大量生產(chǎn)SiC基LED器件的公司，這個(gè)業(yè)務(wù)使得它的市場(chǎng)表現(xiàn)突出，公司市盈率長(zhǎng)期居于高位。

PVT方法中SiC粉料純度對(duì)晶片質(zhì)量影響很大。粉料中一般含有極微量的氮（N），硼（B）、鋁（Al）、鐵（Fe）等雜質(zhì)，其中氮是n型摻雜劑，在碳化硅中產(chǎn)生游離的電子，硼、鋁是p型摻雜劑，產(chǎn)生游離的空穴。為了制備n型導(dǎo)電碳化硅晶片，在生長(zhǎng)時(shí)需要通入氮?dú)猓屗a(chǎn)生的一部分電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），另外的游離電子使碳化硅表現(xiàn)為n型導(dǎo)電。為了制備高阻不導(dǎo)電的碳化硅（半絕緣型），在生長(zhǎng)時(shí)需要加入釩（V）雜質(zhì)，釩既可以產(chǎn)生電子，也可以產(chǎn)生空穴，讓它產(chǎn)生的電子中和掉硼、鋁產(chǎn)生的空穴（即補(bǔ)償），它產(chǎn)生的空穴中和掉氮產(chǎn)生的電子，所以所生長(zhǎng)的碳化硅幾乎沒(méi)有游離的電子、空穴，形成高阻不導(dǎo)電的晶片（半絕緣型，SI）。摻釩工藝復(fù)雜，所以半絕緣碳化硅很難制備，成本很高。近年來(lái)也出現(xiàn)了通過(guò)點(diǎn)缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)高阻半絕緣碳化硅的方法。p型導(dǎo)電碳化硅也不容易制備，特別是低阻的p型碳化硅更不容易制備。雖然對(duì)于半絕緣型和p型導(dǎo)電碳化硅晶片的需求量日益增長(zhǎng)，但是由于摻雜量和雜質(zhì)原子分布不易控制等技術(shù)難度以及成本原因，即使是Cree也采用限量供應(yīng)的方式出貨，其他廠商基本不提供這類碳化硅的批量供應(yīng)。

目前已出現(xiàn)了另一種碳化硅晶體生長(zhǎng)方法，即采用高溫化學(xué)氣相沉積方法（HTCVD）[12]。它是用氣態(tài)的高純碳源和硅源，在2 200℃左右合成碳化硅分子，然后在籽晶上凝聚生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率一般為0.5～1mm/h左右，略高于PVT法，也有研究機(jī)構(gòu)可做到2mm/h的生長(zhǎng)速率。氣態(tài)的高純碳源和硅源比高純SiC粉末更容易獲得，成本更低。由于氣態(tài)源幾乎沒(méi)有雜質(zhì)，因此，如果生長(zhǎng)時(shí)不加入n型摻雜劑或p型摻雜劑，生長(zhǎng)出的4H-SiC就是高純半絕緣（HPSI）半導(dǎo)體。HPSI與SI是有區(qū)別的，前者載流子濃度3.5×1013～8×1015/cm3范圍，具有較高的電子遷移率；后者同時(shí)進(jìn)行n、p補(bǔ)償，是高阻材料，電阻率很高，一般用于微波器件襯底，不導(dǎo)電。如果要生長(zhǎng)n型摻雜或p型摻雜的4H-SiC也非常好控制，只要分別通入氮或者硼的氣態(tài)源就可以實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶體的導(dǎo)電強(qiáng)弱。目前瑞典的Norstel AB公司[13]采用HTCVD商業(yè)化生產(chǎn)碳化硅襯底材料（n型、p型、H P S I型），它采用瑞典林雪平大學(xué)的生長(zhǎng)技術(shù)，目前已有4英寸H P S I型4H - S i C襯底出售。

PVT法和HTCVD法生長(zhǎng)碳化硅晶體原理圖如圖2所示。兩者都可以用于生長(zhǎng)4H-SiC晶片，HTCVD更像是PVT的“加強(qiáng)版”。PVT法的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)簡(jiǎn)單易控制，市場(chǎng)占有率高，生長(zhǎng)n型導(dǎo)電晶片很成熟。其劣勢(shì)是p型導(dǎo)電和高阻半絕緣型晶片生長(zhǎng)成本高，不能生長(zhǎng)高質(zhì)量的高純半絕緣晶片。HTCVD法的優(yōu)勢(shì)是可以生長(zhǎng)導(dǎo)電型（n、p）和高純半絕緣晶片，可以控制摻雜濃度，使晶片中載流子濃度在3×1013～5×1019/cm3之間可調(diào)。其劣勢(shì)是技術(shù)門檻高，市場(chǎng)占有率低。

二、碳化硅外延

為了制造碳化硅半導(dǎo)體器件，需要在碳化硅晶片表面生長(zhǎng)1層或數(shù)層碳化硅薄膜。這些薄膜具有不同的n、p導(dǎo)電類型，目前主流的方法是通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)。

碳化硅外延生長(zhǎng)方案中，襯底起很大的支配作用，早期碳化硅是在無(wú)偏角襯底上外延生長(zhǎng)的，即從晶錠上切割下來(lái)的晶片其外延表面法線與晶軸（c軸）夾角θ=0°，如碳化硅晶片的Si（0001）或C（000）面，外延表面幾乎沒(méi)有臺(tái)階，外延生長(zhǎng)期望能夠由理想的二維成核生長(zhǎng)模型控制。然而實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)，外延結(jié)果遠(yuǎn)未如此理想。由于碳化硅是一種多型體材料，外延層中容易產(chǎn)生多型體夾雜，比如4H-SiC外延層中存在3C-SiC夾雜，使外延層“不純”，變成一種混合相結(jié)構(gòu)，極大地影響碳化硅器件的性能，甚至不能用這樣的外延材料制備器件。另外，這樣的外延層宏觀外延缺陷密度很大，不能用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝制備器件，即薄膜質(zhì)量難于達(dá)到晶圓級(jí)外延水平[14]。

BPD缺陷會(huì)穿通到外延層中，由BPD缺陷引起的擴(kuò)展肖克萊位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致雙極器件正向壓降的漂移、正向?qū)娏鞯南陆狄约胺聪蚵╇娏鞯脑龃?，器件性能以及可靠性都受到很大影響，特別地，隨著器件工作時(shí)間的增加，BPD缺陷動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，引起器件電學(xué)性能不可預(yù)料的變化，這對(duì)于碳化硅功率器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。一旦解決了這個(gè)問(wèn)題，碳化硅器件的優(yōu)勢(shì)就能進(jìn)一步發(fā)揮，并最終得到更好的應(yīng)用。最可行的解決辦法是降低襯底外延表面的BPD缺陷密度，即將偏角盡可能減小，同時(shí)輔以外延工藝，將部分BPD缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)榱夹缘腡ED缺陷。其次，襯底斜切，襯底產(chǎn)率降低，造成了很大的原材料浪費(fèi)，增加了襯底制備的成本，當(dāng)晶圓直徑增大時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得更加突出。Cree現(xiàn)在供應(yīng)的主流襯底片主要是4英寸和6英寸大尺寸晶片，其中4英寸片提供斜切偏角為4°以及無(wú)偏角的，8°的可以定制；6英寸片只提供無(wú)偏角的，對(duì)于相同規(guī)格（產(chǎn)品等級(jí)、摻雜類型、微管密度等）的襯底片，偏8°的比偏4°的貴約1 000美元，偏4°的比無(wú)偏角的貴約1 200美元，當(dāng)襯底片用量很大時(shí)，這是一個(gè)很可觀的數(shù)目。

因此，從以上分析并結(jié)合目前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，大偏角斜切襯底必然是一個(gè)過(guò)渡方案，在世界各國(guó)科技人員的努力下，外延要回歸到小偏角斜切襯底方向上來(lái)。Cree在SiC襯底制備方面具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先地位，它的產(chǎn)品是業(yè)界的風(fēng)向標(biāo)，代表了需求的發(fā)展方向?，F(xiàn)在Cree主推偏角為4°襯底及無(wú)偏角襯底，具有深刻的影響。實(shí)際上，在大偏角斜切襯底作為主要外延襯底的同時(shí)，人們就開(kāi)始在偏角為4°、3.5°、2°的襯底以及無(wú)偏角襯底上進(jìn)行外延的探索、研究，并且取得了一些成績(jī)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，主要表現(xiàn)在如下2個(gè)方面：

①這些研究主要集中在氣固表面反應(yīng)這個(gè)主題上。由于偏角θ值越小，臺(tái)階密度越小，臺(tái)面越長(zhǎng)，反應(yīng)物質(zhì)在外延臺(tái)面遷移到臺(tái)階處越困難，外延層表面形貌和多型體結(jié)構(gòu)越不容易控制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們?cè)诜磻?yīng)體系中加入氯元素，如在源氣中增加氯化氫（HCl）氣體[18]或氯氣（Cl2），或者使用含氯元素的硅源（如TCS，MTS等）或碳源（如三氯甲烷CHCl3），目的是，一方面鹵素元素能增強(qiáng)反應(yīng)物在表面的遷移率，使得碳、硅原子能夠長(zhǎng)距離遷移到臺(tái)階扭折處進(jìn)行生長(zhǎng)。另一方面鹵素元素可以刻蝕源氣中凝結(jié)的硅團(tuán)聚體（cluster），以免硅團(tuán)聚體輸運(yùn)到反應(yīng)前沿在外延層中形成硅滴。這些工作雖取得了一些成效，但是外延質(zhì)量仍有待于提高，有許多研究工作還要繼續(xù)開(kāi)展。

②人們對(duì)碳化硅化學(xué)氣相沉積過(guò)程中涉及到的流場(chǎng)分布及其質(zhì)量輸運(yùn)等問(wèn)題研究得不夠，且現(xiàn)有研究也大部分側(cè)重于理論及模擬分析，少有跟實(shí)際外延生長(zhǎng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究的。主要原因是各研究機(jī)構(gòu)使用的外延設(shè)備是商業(yè)設(shè)備，它們有固定的配置，其生長(zhǎng)模式一般不易改變。如外延設(shè)備反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)是固定的，不能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改變，因此，流場(chǎng)、熱場(chǎng)分布等一般由設(shè)備廠商掌握，用戶只能調(diào)節(jié)生長(zhǎng)工藝，這就限制了各研究機(jī)構(gòu)對(duì)化學(xué)氣相沉積過(guò)程中的質(zhì)量輸運(yùn)等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

三、碳化硅功率器件

功率半導(dǎo)體器件是實(shí)現(xiàn)電力控制的關(guān)鍵，與Si相比，碳化硅半導(dǎo)體非常適合制作功率器件。對(duì)具有同樣截止電壓能力的器件來(lái)說(shuō)，SiC材料參數(shù)與Si的完全不同，例如一個(gè)耐壓20kV的Si器件需要3 500μm的有源承壓層，摻雜水平低至2.9×1012/cm3，而同樣規(guī)模的4H-SiC器件對(duì)應(yīng)的參數(shù)則分別為190μm和3.5×1014/cm3。因此，硅材料制不適合制作耐高壓器件，首先，這么低的摻雜水平難于取得，其次，如圖4所示，Si器件具有比碳化硅器件大得多的導(dǎo)通電阻，這就可以極大地增加了能耗。碳化硅功率器件更突出的潛力是在超高耐壓大容量功率器件（HVPD）領(lǐng)域?，F(xiàn)代特高壓直流輸電工程（±800kV）需要用到巨大的變流閥，現(xiàn)在只能使用Si晶閘管，單管（6英寸Si晶圓）耐壓約數(shù)千伏，需要幾千個(gè)晶閘管，采用多級(jí)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；如果采用SiC晶閘管，使其單管耐壓達(dá)20kV，則串并聯(lián)級(jí)數(shù)大為減少，所需晶閘管大為縮減。模擬結(jié)果顯示，在觸發(fā)角α為88°的工況下，Si單閥損耗為300kW左右，4H-SiC單閥損耗為180kW左右，節(jié)能比可達(dá)40%，節(jié)能效果十分顯著。因此，SiC半導(dǎo)體在HVPD方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，有望能夠應(yīng)用在新一代高壓電力電子領(lǐng)域中。

下面分析一下半導(dǎo)體二極管是怎么構(gòu)成的。如圖4所示，二極管是兩端器件，有2個(gè)金屬電極，還有氧化層是起終端保護(hù)作用的（圖中未示出）。半導(dǎo)體材料就2層：導(dǎo)電層（圖中n+區(qū)域）和耐壓層（圖中n/n-區(qū)域），其中導(dǎo)電層也起支撐的作用，使器件不會(huì)因?yàn)樘《扑椋荒蛪簩邮枪ぷ鹘橘|(zhì)，這個(gè)肖特基二極管工作主要是靠金屬電極和耐壓層之間的勢(shì)壘以及耐壓層本身。勢(shì)壘越高，耐壓層越厚，器件耐反向電壓的能力越高，這是希望得到的。一般勢(shì)壘金屬材料是經(jīng)優(yōu)選后固定的，因此勢(shì)壘高度也基本是固定的。要提高器件耐壓能力，主要靠耐壓層：提高它的厚度，適當(dāng)降低它的摻雜濃度。在器件工作的時(shí)候?qū)щ妼酉喈?dāng)于一個(gè)電阻，會(huì)消耗電能放出熱能，芯片工廠會(huì)將之加以減薄，使之既有一定的機(jī)械強(qiáng)度不會(huì)破裂，又足夠薄，以減少功耗。

對(duì)于碳化硅二極管，其制備原理是這樣的：采用商用n+型4H-SiC襯底，國(guó)際國(guó)內(nèi)晶片廠商出售的4H-SiC襯底規(guī)格一般都是350μm厚，載流子濃度5E18/cm3左右，為n+型導(dǎo)電襯底。然后在其上生長(zhǎng)一層n-型導(dǎo)電4H-SiC外延膜，其厚度一般為6μm或者12μm，載流子濃度為1×1015～5×1016/cm3左右。如前所述，器件工作介質(zhì)主要是勢(shì)壘高度和耐壓層，可以通過(guò)理論計(jì)算得到耐壓層的參數(shù)，而導(dǎo)電層因?yàn)樘裣喈?dāng)于一個(gè)電阻，需要通過(guò)機(jī)械減薄的方式減小這個(gè)電阻。4H-SiC非常硬，僅次于金剛石，所以很難減薄，成本比較高。如果制作單管耐壓上萬(wàn)伏的碳化硅器件，則需要生長(zhǎng)厚達(dá)120～200μm的外延層。目前商用碳化硅外延設(shè)備生長(zhǎng)速率一般為每小時(shí)10μm，且不能持續(xù)生長(zhǎng)，一般能堅(jiān)持3～5h，否則生長(zhǎng)出來(lái)的4H-SiC材料品質(zhì)會(huì)嚴(yán)重下降，不能達(dá)標(biāo)。因此，生長(zhǎng)厚度100μm以上的材料非常困難，這就限制了高壓、超高壓碳化硅器件的實(shí)用化。另一方面，這么大功率的器件如果繼續(xù)帶著厚導(dǎo)電層（襯底），其工作電阻已經(jīng)不可忽視，并且減薄要求高于前述中低壓器件用材料。

典型的大容量功率器件采用PNPN結(jié)構(gòu)，如晶閘管、IGBT等，圖5（a）（b）所示為晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖。如果采用Si來(lái)制備n溝道晶閘管，如圖5（a）所示，過(guò)程大致是這樣的：在體硅晶圓（如采用HPSI型或n-型體硅）雙面進(jìn)行p型擴(kuò)散摻雜，形成P1發(fā)射區(qū)和P2基區(qū)，然后在P2基區(qū)進(jìn)行二次擴(kuò)散，形成N2發(fā)射區(qū)，最后在P1區(qū)、P2區(qū)以及N2區(qū)做上金屬接觸即可。與上述過(guò)程迥然不同，要制備圖5（b）所示結(jié)構(gòu)的n溝道4H-SiC晶閘管，過(guò)程如圖5（c）所示，采用倒序結(jié)構(gòu)：①基本上只能采用n型襯底，為了能在襯底上制備電極，需要采用n+型襯底（N2發(fā)射區(qū)）；②在外延面上外延n型過(guò)渡層，用于融合并消除由襯底上帶來(lái)的缺陷；③外延P2基區(qū)，為p型導(dǎo)電薄層；④外延N1基區(qū)，根據(jù)耐反壓要求，N1厚達(dá)120～300μm不等，載流子濃度低至3.5×1013～8×1015/cm3；⑤外延P1發(fā)射區(qū)，為p+型導(dǎo)電薄層；⑥將n+襯底減薄至數(shù)十μm，以降低串聯(lián)電阻；⑦采用ICP刻蝕，將P2基區(qū)顯露出來(lái)；⑧分別在P1、N2發(fā)射區(qū)和P2基區(qū)制備金屬接觸以及氧化保護(hù)層。

由上述過(guò)程可見(jiàn)，Si和4H-SiC的區(qū)別在于前者可以用體材料作為承壓層來(lái)制備大容量器件，而后者不可以，需要通過(guò)CVD技術(shù)以外延鍍膜的方法制備類似體材料HPSI或n-（n溝道）或p-（p溝道）作為承壓層，而且需要將所用襯底進(jìn)行減薄。

最先面市的SiC器件是肖特基二極管（SBD），早在2001年德國(guó)英飛凌就商業(yè)開(kāi)發(fā)成功二極管，隨后Cree同年也開(kāi)始投產(chǎn)。目前SBD已形成穩(wěn)定的系列產(chǎn)品，如600V、1 200V以及1 700V規(guī)格，已投產(chǎn)或即將投產(chǎn)SiC SBD的公司還有STMicroelectronics（意法半導(dǎo)體公司）、SiCED（德國(guó)）、SemiSouth（美國(guó)）以及日本公司如羅姆、新日鐵、三菱電機(jī)等。SiC MOSFET晶體管也已商業(yè)化。2010年12月，日本羅姆公司開(kāi)始量產(chǎn)導(dǎo)通SiC基DMOSFET功率晶體管。2011年，Cree發(fā)布SiC基功率MOSFET器件，器件耐壓可達(dá)1 200V。

四、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在，SiC材料正在大舉進(jìn)入功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。一些知名的半導(dǎo)體器件廠商，如羅姆（ROHM）株式會(huì)社、英飛凌科技公司、Cree、飛兆國(guó)際電子有限公司等都在開(kāi)發(fā)自己的SiC功率器件。英飛凌科技公司在今年推出了第5代SiC肖特基勢(shì)壘二極管，它結(jié)合了第3代產(chǎn)品的低容性電荷（Qc）特性與第2代產(chǎn)品中的低正向電壓（Vf）特性，使PFC電路達(dá)到最高效率水平，擊穿電壓則達(dá)到了650V。飛兆半導(dǎo)體發(fā)布了SiC BJT，實(shí)現(xiàn)了1 200V的耐壓，傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)于傳統(tǒng)的Si器件降低了30%～50%，從而能夠在相同尺寸的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%的輸出功率提升。ROHM公司則推出了1 200V的第2代SiC制MOSFET產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了SiC-SBD與SiC-MOSFET的一體化封裝，與Si-IGBT相比，工作損耗降低了70%，并可達(dá)到50kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率。值得一提的是，IGBT的驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，如果使用SiC基的MOSFET，則能使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度大為降低。SiC的市場(chǎng)頗為看好，根據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到40億美元，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)到45%。

2010年，日本三菱電機(jī)將SiC功率半導(dǎo)體逆變器模塊應(yīng)用于空調(diào)，這是第一次將SiC半導(dǎo)體應(yīng)用于消費(fèi)類商品。最近，豐田公司試制出了利用SiC功率元件的電動(dòng)汽車（EV）電子系統(tǒng)[20]，如圖6所示。

碳化硅半導(dǎo)體制備技術(shù)正不斷取得進(jìn)步，已經(jīng)可以生長(zhǎng)厚度為200μm的外延層，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了反向阻塞電壓高達(dá)8kV的SiC功率器件，如耗盡型功率MOSFET、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、PIN二極管、IGBT以及GTO等。單管高達(dá)10kV的超高壓功率器件已研發(fā)成功預(yù)計(jì)可在航空、航天、國(guó)防、工業(yè)、電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，我國(guó)正在實(shí)施“節(jié)能減排”的國(guó)家發(fā)展政策，碳化硅半導(dǎo)體無(wú)疑會(huì)對(duì)此起到巨大的推動(dòng)用。

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