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最全!解析碳化硅外延材料產業鏈

[導讀]與傳統硅功率器件制作工藝不同的最全是,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上,解析必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的碳化外延材料,并在外延層上制造各類器件。硅外碳化硅一般采用PVT方法,延材業鏈溫度高達2000多度,料產且加工周期比較長,最全產出比較低,解析因而碳化硅襯底的碳化成本是非常高的。

與傳統硅功率器件制作工藝不同的硅外是,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上,延材業鏈必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的料產外延材料,并在外延層上制造各類器件。最全

最全!解析碳化硅外延材料產業鏈

碳化硅一般采用PVT方法,解析溫度高達2000多度,碳化且加工周期比較長,產出比較低,因而碳化硅襯底的成本是非常高的。
碳化硅外延過程和硅基本上差不多,在溫度設計以及設備的結構設計不太一樣。
在器件制備方面,由于材料的特殊性,器件過程的加工和硅不同的是,采用了高溫的工藝,包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。
外延工藝是整個產業中的一種非常關鍵的工藝,由于現在所有的器件基本上都是在外延上實現,所以外延的質量對器件的性能是影響是非常大的,但是外延的質量它又受到晶體和襯底加工的影響,處在一個產業的中間環節,對產業的發展起到非常關鍵的作用。
SiC外延片是SiC產業鏈條核心的中間環節
目前碳化硅和氮化鎵這兩種芯片,如果想最大程度利用其材料本身的特性,較為理想的方案便是在碳化硅單晶襯底上生長外延層。
碳化硅外延片,是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜(外延層)的碳化硅片。實際應用中,寬禁帶半導體器件幾乎都做在外延層上,碳化硅晶片本身只作為襯底,包括GaN外延層的襯底。
我國SiC外延材料研發工作開發于“九五計劃”,材料生長技術及器件研究均取得較大進展。主要研究單位有中科院半導體研究所、中電集團13所和55所、西安電子科技大學等,產業化公司主要是東莞天域和廈門瀚天天成。目前我國已研制成功6英寸SiC外延晶片,且基本實現商業化。可以滿足3.3kV及以下電壓等級SiC電力電子器件的研制。不過,還不能滿足研制10kV及以上電壓等級器件和研制雙極型器件的需求。
碳化硅材料的特性從三個維度展開:
1.材料的性能,即物理性能:禁帶寬度大、飽和電子飄移速度高、存在高速二維電子氣、擊穿場強高。這些材料特性將會影響到后面器件的性能。
2. 器件性能:耐高溫、開關速度快、導通電阻低、耐高壓。優于普通硅材料的特性。反映在電子電氣系統和器件產品中。
3. 系統性能:體積小、重量輕、高能效、驅動力強。
碳化硅的耐高壓能力是硅的10 倍,耐高溫能力是硅的2 倍,高頻能力是硅的2 倍;相同電氣參數產品,采用碳化硅材料可縮小體積50%,降低能量損耗80%。
這也是為什么半導體巨頭在碳化硅的研發上不斷加碼的原因:希望把器件體積做得越來越小、能量密度越來越大。
硅材料隨著電壓的升高,高頻性能和能量密度不斷在下降,和碳化硅、氮化鎵相比優勢越來越小。
碳化硅主要運用在高壓環境,氮化鎵主要集中在中低壓的領域。造成兩者重點發展的方向有重疊、但各有各的路線。通常以650V 作為一個界限:650V以上通常是碳化硅材料的應用,650V 以下比如一些消費類電子上氮化鎵的優勢更加明顯。
SiC外延片關鍵參數
碳化硅外延材料的最基本的參數,也是最關鍵的參數,就右下角黃色的這一塊,它的厚度和摻雜濃度均勻性。
我們所講外延的參數其實主要取決于器件的設計,比如說根據器件的電壓檔級的不同,外延的參數也不同。
一般低壓在600伏,我們需要的外延的厚度可能就是6個μm左右,中壓1200~1700,我們需要的厚度就是10~15個μm。高壓的話1萬伏以上,可能就需要100個μm以上。所以隨著電壓能力的增加,外延厚度隨之增加,高質量外延片的制備也就非常難,尤其在高壓領域,尤其重要的就是缺陷的控制,其實也是非常大的一個挑戰。
SiC外延片制備技術
碳化硅外延兩大主要技術發展,應用在設備上
1980年提出的臺階流生長模型
此對外延的發展、對外延的質量都起到了非常重要的作用。它的出現首先是生長溫度,可以在相對低的溫度下實現生長,同時對于我們功率器件感興趣的4H晶型來說,可以實現非常穩定的控制。
引入TCS,實現生長速率的提升
引入TCS可以實現生長速率達到傳統的生長速率10倍以上,它的引入不光是生產速率得到提升,同時也是質量得到大大的控制,尤其是對于硅滴的控制,所以說對于厚膜外延生長來說是非常有利的。這個技術率先由LPE在14年實現商業化,在17年左右Aixtron對設備進行了升級改造,將這個技術移植到了商業的設備中。
碳化硅外延中的缺陷其實有很多,因為晶體的不同所以它的缺陷和其它一些晶體的也不太一樣。他的缺陷主要包括微管、三角形缺陷、表面的胡蘿卜缺陷,還有一些特有的如臺階聚集。
基本上很多缺陷都是從襯底中直接復制過來的,所以說襯底的質量、加工的水平對于外延的生長來說,尤其是缺陷的控制是非常重要的。
碳化硅外延缺陷一般分為致命性和非致命性:
致命性缺陷像三角形缺陷,滴落物,對所有的器件類型都有影響,包括二極管,MOSFET,雙極性器件,影響最大的就是擊穿電壓,它可以使擊穿電壓減少20%,甚至跌到百分之90。
非致命性的缺陷比如說一些TSD和TED,對這個二極管可能就沒有影響,對MOS、雙極器件可能就有壽命的影響,或者有一些漏電的影響,最終會使器件的加工合格率受到影響。
控制碳化硅外延缺陷,方法一是謹慎選擇碳化硅襯底材料;二是設備選擇及國產化;三是工藝技術。
碳化硅外延技術進展情況:
在低、中壓領域,目前外延片核心參數厚度、摻雜濃度可以做到相對較優的水平。
但在高壓領域,目前外延片需要攻克的難關還很多,主要參數指標包括厚度、摻雜濃度的均勻性、三角缺陷等。
在中、低壓應用領域,碳化硅外延的技術相對是比較成熟的。
基本上可以滿足低中壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。如上是一個1200伏器件應用的10μm的外延片,它的厚度、摻雜濃度了都達到了一個非常優的水平,而且表面缺陷也是非常好的,可以達到0.5平方以下。
在高壓領域外延的技術發展相對比較滯后,如上是2萬伏的器件上的200μm的一個碳化硅外延材料,它的均勻性、厚度和濃度相對于上述介紹的低壓差很多,尤其是摻雜濃度的均勻性。
同時,高壓器件需要的厚膜方面,目前的缺陷還是比較多的,尤其是三角形缺陷,缺陷多主要影響大電流的器件制備。大電流需要大的芯片面積。同時它的少子壽命目前也比較低。
在高壓方面的話,器件的類型趨向于使用于雙極器件,對少子壽命要求比較高,從右面這個圖我們可以看到,要達到一個理想的正向電流它的少子壽命至少要達到5μs以上,目前的外延片的少子壽命的參數大概在1~2個μs左右,所以說還對高壓器件的需求目前來說還沒法滿足,還需要后處理技術。
SiC外延片制備設備情況
碳化硅外延材料的主要設備,目前這個市場上主要有四家:
1、德國的Aixtron:特點是產能比較大;
2、意大利的LPE,屬于單片機,生長速率非常大。
3、日本的TEL和Nuflare,其設備的價格非常昂貴,其次是雙腔體,對提高產量有一定的作用。其中,Nuflare是最近幾年推出來的一個非常有特點的設備,其能高速旋轉,可以達到一分鐘1000轉,這對外延的均勻性是非常有利的。同時它的氣流方向不同于其他設備,是垂直向下的,所以它可以避免一些顆粒物的產生,減少滴落到片子上的概率。
行業格局
在全球市場中,外延片企業主要有 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機、Infineon 等,多數是IDM公司。日本也存在比較優越的碳化硅外延的供應商,比如說昭和電工,但它已經不是一個純粹的做碳化硅外延的,因為他在前幾年也收購了日本的新日鐵,開始涉及到了碳化硅單晶的制備。
全球業內的龍頭Cree旗下Wolfspeed,是IDM公司,除了對外提供襯底片和外延片,還做器件、模塊。Cree 占據襯底市場約 40%份額、器件市場約 23%份額。
在大陸市場,純粹做外延片的有:瀚天天成(EpiWorld)和東莞天域半導體均可供應 4-6 英寸外延片,中電科 13 所、55 所亦均有內部供應的外延片生產部門。臺灣地去有嘉晶電子。
? 北方華創介紹了公司為化合物半導體生產開發的相關刻蝕機等設備。公司表示在化合物半導體SiC/GaN 的刻蝕中存在諸多挑戰,包括刻蝕的寬縱比、特殊的刻蝕輪廓的控制、刻蝕的選擇性以及過高/過低的刻蝕速率。公司的干法刻蝕解決方案在這些要求中展現了卓越的表現和良率。
? 能訊半導體率先在國內開展了GaN 材料與器件的研發與產業化,公司擁有先進的GaN-on-Si 以及GaN-on-SiC 外延工藝,可以滿足微波功率器件及電力電子器件的應用需求。在制造方面,公司有用亞微米柵極技術、鈍化層技術、襯底減薄VIA 通孔技術等。公司目前在昆山擁有6,000/年3” GaN 晶圓片的產能。
? 中車時代電氣為中國中車子公司,在功率半導體方面處于國內領先水平。半導體相關器件主要用途為軌道交通、輸變電及新能源領域。2018 年1 月實現國內首條6” SiC芯片生產線技術調試完成,2 月產線已正式開始流片。該項目總投資為3.5 億元,可實現4”及6” SiC SBD、PiN、MOSFET 等器件的研發和制造。
應用領域
從終端應用層上來看在碳化硅材料在高鐵、汽車電子、智能電網、光伏逆變、工業機電、數據中心、白色家電、消費電子、5G通信、次世代顯示等領域有著廣泛的應用,市場潛力巨大。
在應用上,分為低壓、中壓和高壓領域
在低壓領域:主要是針對一些消費電子,比如說PFC、電源;舉例子:小米和華為推出來快速充電器,所采用的器件就是氮化鎵器件。
在中壓領域:主要是汽車電子和3300V以上的軌道交通和電網系統。舉例子:特斯拉是使用碳化硅器件最早的一個汽車制造商,使用的型號是model3。
在中低壓領域,碳化硅和氮化鎵為競爭關系,更傾向于氮化鎵。在中低壓碳化硅已經有非常成熟的二極管和MOSFET產品在市場當中推廣應用。
在高壓領域:碳化硅有著獨一無二的優勢。但迄今為止,在高壓領域現在還沒有一個成熟的產品的推出,全球都在處于研發的階段。
電動車是碳化硅的最佳應用場景
豐田的電驅動模塊(電動車的核心部件),碳化硅的器件比硅基IGBT 的體積縮小了50%甚至更多,同時能量密度也比硅基IGBT 高很多。這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因,可以優化零部件在車上的布置,節省更多的空間。
特斯拉Model 3 電驅動模塊:采用24 顆意法半導體碳化硅器件,豐田也計劃2020年推出搭載碳化硅器件的電動車,豐田作為日系廠商較為傾向于日系的供應商,目前是三菱或富士在爭取這些業務和豐田開展合作。
來源:第三代半導體聯合創新孵化中心

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