引言：相比于目前成熟使用的硅基材采用碳化硅基材的電子元件性能優(yōu)勢(shì)十分顯著，尤其是在高壓與高頻的性能上，然而這些優(yōu)勢(shì)卻始終未能讓碳化硅元件轉(zhuǎn)換成較大的市場(chǎng)規(guī)模，其主要原因就出在碳化硅晶圓的制造和產(chǎn)能的不順暢。下文小編將帶大家簡(jiǎn)單了解一下碳化硅晶圓。
圖1：6英寸碳化硅外延片
碳化硅單晶有點(diǎn)牛？
硅是傳統(tǒng)且應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，其制備技術(shù)發(fā)展成熟，但局限于硅本身的電子和空穴遷移速度在未來很難滿足更高性能半導(dǎo)體器件的需求。相比于傳統(tǒng)的老大哥“硅”，碳化硅這個(gè)近來有點(diǎn)火的新兵蛋子，有許多先天上更為卓越的性能。
例如，硅材料的極限工作溫度為300℃，而碳化硅可以達(dá)到600℃以上，硅材料的熱導(dǎo)率僅為1.5W·cm-1·K-1，而碳化硅的熱導(dǎo)率可高達(dá)4.9W·cm-1·K-1，這就使得碳化硅在一定工作溫度內(nèi)，無需增加散熱裝置，有利于設(shè)備的小型化發(fā)展；與傳統(tǒng)的硅器件比，SiC二極管可以實(shí)現(xiàn)端很多的反向恢復(fù)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)，其反向恢復(fù)電荷要少很多，從而可降低開關(guān)損耗，SiC MOSFET沒有傳統(tǒng)硅IGBT關(guān)斷特性中所具有的拖尾電流，因此可以將關(guān)斷損耗降低多達(dá)90%，與此用時(shí)可以增加開關(guān)頻率，從而減少對(duì)外部平波電容的依賴，一言以蔽之“能耗低”。
圖2：碳化硅使功率器件突破了硅的極限
來源：www.st.com
碳化硅為第三代半導(dǎo)體的主要代表之一，總的來說擁有禁帶寬度大、器件極限工作溫度高、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大、熱導(dǎo)率等顯著的特點(diǎn)。SiC功率器件可用于混動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車的逆變器、太陽(yáng)能發(fā)電系列中的功率調(diào)節(jié)器，以及工業(yè)設(shè)備中使用的輸出功率為數(shù)千瓦~數(shù)十千瓦的電力轉(zhuǎn)化器等廣闊領(lǐng)域，近來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。此外，云數(shù)據(jù)、流媒體服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等等急速發(fā)展，服務(wù)器需要更高的功率來處理越來越多的計(jì)算負(fù)載，也讓碳化硅、氮化鎵等寬禁帶第三代半導(dǎo)體材料有了大展拳腳的機(jī)會(huì)。
碳化硅單晶制造有何難點(diǎn)？
·長(zhǎng)晶條件苛刻：一般而言，碳化硅晶圓需要在2000℃以上高溫（硅晶僅需在1500℃），以及350MPa以上才能達(dá)成。
·長(zhǎng)得賊慢：依據(jù)目前硅晶業(yè)的生產(chǎn)情況，一般而言，生產(chǎn)8吋的硅棒晶，約需2天半的時(shí)間來拉晶，6吋的晶棒則約需一天。而碳化硅，光長(zhǎng)晶的時(shí)間就約需7至10天。
·后加工困難：晶棒冷卻后需再進(jìn)行切片、磨拋、清洗等后續(xù)工作。有金剛砂之稱的碳化硅自然也不是蓋的，高至9.5的莫氏硬度讓碳化硅晶圓的后加工變得非常困難。
條件艱難如它，而最讓人糟心的是：如果長(zhǎng)晶過程中有一點(diǎn)點(diǎn)的溫度和壓力的失誤，那之前幾天的心血可能都會(huì)化為烏有......而SiC長(zhǎng)晶的巨大困難點(diǎn)除了在石墨坩堝的黑盒子中無法即時(shí)觀察晶體生長(zhǎng)狀況外，也因SiC具有200多種生成能皆很相近的晶態(tài)，要在如此嚴(yán)苛的條件下生長(zhǎng)出大尺寸、無缺陷、全區(qū)皆為同一晶態(tài)4H（目前元件基板主流），則需要非常精確的熱場(chǎng)控制、材料匹配及經(jīng)驗(yàn)累積。
目前已在使用的長(zhǎng)晶技術(shù)則包含高溫化學(xué)氣象沉積法（HTCVD），與高溫升華法（HTCVT）兩種。以目前良率最高的HTCVD法為例，它是以攝氏1500至2500度的高溫下，導(dǎo)入高純度的硅烷（SiH4）、乙烷或丙烷，或氫氣等氣體，在生長(zhǎng)腔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，先在高溫區(qū)形成碳化硅前驅(qū)物，再經(jīng)由氣體帶動(dòng)進(jìn)入低溫區(qū)的籽晶端前沉積形成單晶。然而，HTCVD技術(shù)必須精準(zhǔn)的控制各區(qū)的溫度、各種氣體的流量、以及生長(zhǎng)腔內(nèi)的壓力，才有辦法得到品質(zhì)精純的晶體。因此在產(chǎn)量與品質(zhì)上仍是待突破的瓶頸。
圖3：碳化硅與硅晶的生產(chǎn)條件比較
由于碳化硅晶圓的生產(chǎn)具有一定的技術(shù)難度，能提供穩(wěn)定的產(chǎn)量，能量產(chǎn)碳化硅晶圓的企業(yè)寥寥無幾，在全球市場(chǎng)中，單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon等，而在碳化硅器件方面全球大部分市場(chǎng)份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分。
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作者：粉體圈
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