为什么SiC在功率应用中战胜了Si?

2023-12-11


半导体产业的基石是芯片,制作芯片的核心材料按照历史进程分为:第一代半导体材料(大部分为目前广泛使用的高纯度硅),第二代化合物半导体材料(砷化镓、磷化铟),第三代化合物半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表。

碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料,碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能,能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。

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碳化硅(SiC)是一种由硅(Si)和碳(C)组成的半导体化合物,属于宽带隙(WBG)材料系列。它的物理结合力非常强,使半导体具有很高的机械、化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性允许SiC器件在高于硅的结温下使用,甚至超过200°C。碳化硅在功率应用中的主要优势是其低漂移区电阻,这是高压功率器件的关键因素。

碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时,在实验室偶然发现的一种碳化物,当时误认为是金刚石的混合体,故取名金刚砂,1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法,也就是大家常说的艾奇逊炉,一直沿用至今,以碳质材料为炉芯体的电阻炉,通电加热石英SiO2和碳的混合物生成碳化硅。    

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得益于出色的物理和电子特性,基于SiC的功率器件正在推动电力电子设备的彻底变革。尽管这种材料早已为人所知,但它作为半导体的使用相对较新,这在很大程度上是由于大型和高质量晶片的可用性。近几十年来,人们的努力集中在开发特定且独特的高温晶体生长工艺上。尽管SiC具有不同的多晶型晶体结构(也称为多型),但4H-SiC多型六方晶体结构最适合高功率应用。

据日经新闻近日引述日本PatentResult公司数据所作报道显示,日本和美国企业目前垄断了被视为第三代半导体材料——碳化硅(SiC)相关专利的前5位。

据悉,位于日本东京的研究公司PatentResult从事专利分析,其统计显示,涉足碳化硅半导体基板的美国科锐(Cree,现已改名为Wolfspeed,全面拥抱碳化硅SiC和氮化镓GaN)排在首位,第2~5位则都是日本企业,分别是:罗姆半导体集团(ROHMSemiconducto)、SUMITOMOELECTRIC(住友电工)集团、三菱电机、电装(DENSO)。    

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图片来自日经中文网

该排名来自PatentResult公司整理的、截至7月29日发布的美国专利数据。

碳化硅的主要性能有哪些?

硅与碳的结合使这种材料具有出色的机械、化学和热性能,包括:

高导热性

低热膨胀和优异的抗热震性

低功率和开关损耗

高能效

高工作频率和温度(工作温度高达200°C结点)

小芯片尺寸(具有相同的击穿电压)

本征体二极管(MOSFET器件)    

出色的热管理,可降低冷却要求

寿命长

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碳化硅在电子领域有哪些应用?

碳化硅是一种非常适合电力应用的半导体,这主要归功于它能够承受高电压,比硅可使用的电压高十倍。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率、更高的电子迁移率和更低的功率损耗。碳化硅二极管和晶体管还可以在更高的频率和温度下工作,而不会影响可靠性。SiC器件的主要应用,例如肖特基二极管和FET/MOSFET晶体管,包括转换器、逆变器、电源、电池充电器和电机控制系统。    

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为什么SiC在功率应用中战胜了Si?

尽管是电子产品中使用最广泛的半导体,但硅开始显示出一些局限性,尤其是在高功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙很高时,它使用的电子设备可以更小、运行得更快、更可靠。它还可以在比其他半导体更高的温度、电压和频率下运行。硅的带隙约为1.12eV,而碳化硅的带隙值约为3.26eV的近三倍。

为什么碳化硅能承受这么高的电压?

功率器件,尤其是MOSFET,必须能够处理极高的电压。由于电场的介电击穿强度比硅高约十倍,SiC可以达到非常高的击穿电压,从600V到几千伏。SiC可以使用比硅更高的掺杂浓度,并且漂移层可以做得非常薄。漂移层越薄,其电阻越低。理论上,给定高电压,单位面积漂移层的电阻可以降低到硅的1/300。

为什么SiC在高频下的表现优于IGBT?

在大功率应用中,过去主要使用IGBT和双极晶体管,目的是降低高击穿电压下出现的导通电阻。然而,这些设备提供了显着的开关损耗,导致发热问题限制了它们在高频下的使用。使用碳化硅可以制造肖特基势垒二极管和MOSFET等器件,实现高电压、低导通电阻和快速运行。    

哪些杂质用于掺杂SiC材料?

在纯碳化硅的形式下,其行为类似于电绝缘体。通过受控添加杂质或掺杂剂,SiC可以表现得像半导体。P型半导体可以通过掺杂铝、硼或镓来获得,而氮和磷的杂质则产生N型半导体。碳化硅在某些条件下具有导电能力,但在其他条件下不能导电,这取决于红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等因素。与其他材料不同,碳化硅能够在很宽的范围内控制器件制造所需的P型和N型区域。由于这些原因,碳化硅是一种适用于功率器件的材料,能够克服硅的局限性。

碳化硅如何实现比硅更好的热管理?

另一个重要参数是热导率,它是半导体如何散发其产生的热量的指标。如果半导体不能有效散热,则器件可以承受的最大工作电压和温度会受到限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域:碳化硅的导热率为1490W/mK,而硅的导热率为150W/mK。

SiC反向恢复时间与SiMOSFET相比如何?

SiCMOSFET与其硅对应物一样,具有内部体二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为,当二极管关断同时承载正正向电流时会发生这种情况。因此,反向恢复时间(trr)成为定义MOSFET特性的重要指标。图2显示了1000V基于Si的MOSFET和基于SiC的MOSFET的trr之间的比较。可以看出,SiCMOSFET的体二极管非常快:trr和Irr的值小到可以忽略不计,能量损失Err大大降低。

为什么软关断对于短路保护很重要?

SiCMOSFET的另一个重要参数是短路耐受时间(SCWT)。由于SiCMOSFET占据的芯片面积非常小且具有高电流密度,因此它们承受可能导致热断裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如,对于采用TO247封装的1.2kVMOSFET,在Vdd=700V和Vgs=18V时的短路耐受时间约为8-10μs。随着Vgs减小,饱和电流减小,耐受时间增加。随着Vdd的降低,产生的热量越少,耐受时间越长。由于关断SiCMOSFET所需的时间极短,当关断率Vgs较高时,高dI/dt会导致严重的电压尖峰。因此,应使用软关断来逐渐降低栅极电压,避免出现过压峰值。    

为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择?

许多电子设备都是低压电路和高压电路,彼此互连以执行控制和供电功能。例如,牵引逆变器通常包括低压初级侧(电源、通信和控制电路)和次级侧(高压电路、电机、功率级和辅助电路)。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号,如果不存在隔离屏障,则很容易受到损坏。隔离屏障将电路从初级侧电隔离到次级侧,形成单独的接地参考,实现所谓的电流隔离。这可以防止不需要的AC或DC信号从一侧传输到另一侧,从而损坏电源组件。

碳化硅加工工艺研究

SiC的硬度仅次于金刚石,可以作为砂轮等磨具的磨料,因此对其进行机械加工主要是利用金刚石砂轮磨削、研磨和抛光,其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高,是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不仅具有高硬度的特点,高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层,且产生较为严重的表面与亚表层损伤,影响加工精度。因此,深入研究SiC磨削机理与亚表面损伤对于提高SiC磨削加工效率和表面质量具有重要意义。

硬脆材料的研磨机理

对硬脆材料进行研磨,磨料对其具有滚轧作用或微切削作用。磨粒作用于有凹凸和裂纹的表面上时,随着研磨加工的进行,在研磨载荷的作用下,部分磨粒被压入工件,并用露出的尖端划刻工件的表面进行微切削加工。另一部分磨粒在工件和研磨盘之间进行滚动而产生滚轧作用,使工件的表面形成微裂纹,裂纹延伸使工件表面形成脆性碎裂的切屑,从而达到表面去除的目的。    

因为硬脆材料的抗拉强度比抗压强度要小,对磨粒施加载荷时,会在硬脆材料表面的拉伸应力的最大处产生微裂纹。当纵横交错的裂纹延伸且相互交叉时,受裂纹包围的部分就会破碎并崩离出小碎块。此为硬脆材料研磨时的切屑生成和表面形成的基本过程。

由于碳化硅材料属于高硬脆性材料,需要采用专用的研磨液,碳化硅研磨的主要技术难点在于高硬度材料减薄厚度的精确测量及控制,磨削后晶圆表面出现损伤、微裂纹和残余应力,碳化硅晶圆减薄后会产生比碳化硅晶圆更大的翘曲现象。

碳化硅的抛光加工研究

目前碳化硅的抛光方法主要有:机械抛光、磁流变抛光、化学机械抛光(CMP)、电化学抛光(ECMP)、催化剂辅助抛光或催化辅助刻蚀(CACP/CARE)、摩擦化学抛光(TCP,又称无磨料抛光)和等离子辅助抛光(PAP)等。

化学机械抛光(CMP)技术是目前半导体加工的重要手段,也是目前能将单晶硅表面加工到原子级光滑最有效的工艺方法,是能在加工过程中同时实现局部和全局平坦化的唯一实用技术。

CMP的加工效率主要由工件表面的化学反应速率决定。通过研究工艺参数对SiC材料抛光速率的影响,结果表明:旋转速率和抛光压力的影响较大;温度和抛光液pH值的影响不大。为提高材料的抛光速率应尽量提高转速,虽然增加抛光压力也可提高去除速率,但容易损坏抛光垫。

目前的碳化硅抛光方法存在着材料去除率低、成本高的问题,且无磨粒研抛、催化辅助加工等加工方法,由于要求的条件苛刻、装置操作复杂,目前仍处在实验室范围内,批量生产的实现可能性不大。人类1905年第一次在陨石中发现碳化硅,现在主要来源于人工合成,碳化硅有许多用途,行业跨度大,可用于单晶硅、多晶硅、砷化钾、石英晶体等、太阳能光伏产业、半导体产业、压电晶体产业工程性加工材料。碳化硅加工工艺流程碳化硅晶片是以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料,采用物理气相传输法(PVT)生长碳化硅晶体,加工制成碳化硅晶片。①原料合成。将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合,在2,000℃以上的高温下反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序,制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅微粉原料。②晶体生长。以高纯度碳化硅微粉为原料,使用自主研制的晶体生长炉,采用物理气相传输法(PVT法)生长碳化硅晶体。其生长原理如下图所示:    

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将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部,通过电磁感应将坩埚加热至2,000℃以上,控制籽晶处温度略低于下部微粉处,在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的Si2C、SiC2、Si等物质,在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处,并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。③晶锭加工。将制得的碳化硅晶锭使用X射线单晶定向仪进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。④晶体切割。使用多线切割设备,将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。⑤晶片研磨。通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。⑥晶片抛光。通过机械抛光和化学机械抛光方法得到表面无损伤的碳化硅抛光片。⑦晶片检测。使用光学显微镜、X射线衍射仪、原子力显微镜、非接触电阻率测试仪、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备,检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。    

⑧晶片清洗。以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行清洗处理,去除抛光片上残留的抛光液等表面沾污物,再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干;将晶片在超净室封装在洁净片盒内,形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。

碳化硅衬底制备技术包括PVT法(物理气相传输法)、溶液法和HTCVD法(高温气相化学沉积法)等,目前国际上基本采用PVT法制备碳化硅单晶。SiC单晶生长经历3个阶段,分别是Acheson法、Lely法、改良Lely法。利用SiC高温升华分解特性,可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体,它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间,在惰性气体(氩气)环境温度为2500℃的条件下进行升华生长,可以生成片状SiC晶体。但Lely法为自发成核生长方法,较难控制所生长SiC晶体的晶型,且得到的晶体尺寸很小,后来又出现了改良的Lely法,即PVT法(物理气相传输法),其优点在于:采用SiC籽晶控制所生长晶体的晶型,克服了Lely法自发成核生长的缺点,可得到单一晶型的SiC单晶,且可生长较大尺寸的SiC单晶。

图1:SiCPVT法单晶生长原理图    

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来源:CNKI、DT新材料

◆为何半绝缘型与导电型碳化硅衬底技术壁垒都比较高?

PVT方法中SiC粉料纯度对晶片质量具有较大影响。粉料中一般含有极微量的氮(N),硼(B)、铝(Al)、铁(Fe)等杂质,其中氮是n型掺杂剂,在碳化硅中产生游离的电子,硼、铝是p型掺杂剂,产生游离的空穴。为了制备n型导电碳化硅晶片,在生长时需要通入氮气,让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅(半绝缘型),在生长时需要加入钒(V)杂质,钒既可以产生电子,也可以产生空穴,让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴(即补偿),它产生的空穴中和掉氮产生的电子,所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴,形成高阻不导电的晶片(半绝缘型)。掺钒工艺复杂,所以半绝缘碳化硅很难制备,成本很高。近年来也出现了通过点缺陷来实现高阻半绝缘碳化硅的方法。p型导电碳化硅也不容易制备,特别是低阻的p型碳化硅更不容易制备。

晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大,而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片,CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

因其优越的物理性能:高禁带宽度(对应高击穿电场和高功率密度)、高电导率、高热导率,有望成为未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。    

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图表来源:IHSMarket

近年来新能源汽车驱动碳化硅行业高速成长,较传统的燃油汽车相比,新能源汽车半导体元器件功率更大,性能要求更高,用量几倍于传统燃油汽车。

根据现有技术方案,每辆新能源汽车使用的功率器件价值约700美元到1000美元。

随着新能源汽车的发展,对功率器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的增长点。使用碳化硅衬底材料,为新能源汽车节省大量成本。

碳化硅产业链

半导体芯片分为集成电路和分立器件,但不论是集成电路还是分立器件,其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件”结构。

碳化硅产业链也可分为三个环节:分别是上游衬底,中游外延片和下游器件制造。    

碳化硅上游——衬底

碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

碳化硅晶片作为半导体衬底材料,长晶难度大,技术壁垒高,毛利率可达50%左右。

已已经过外延生长、器件制造等环节,可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件。晶片尺寸越大,对应晶体的生长与加工技术难度越大。

碳化硅晶片产业链:

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图表来源:天科合达招股说明书

衬底常用Lely法制造,国际主流采用6英寸晶圆,正向8英寸晶圆过渡;国内衬底以4英寸为主,主要用于10A以下小电流产品。

全球碳化硅市场呈现寡头垄断局面,欧美日企业领先美国全球独大,全球SiC产量的70%~80%来自美国公司。

海外碳化硅单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等。

其中CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

国内企业也在积极研发和探索碳化硅器件的产业化,已经形成相对完整的碳化硅产业链体系。

中国企业在单晶衬底方面以4英寸为主,目前已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底。

以天科合达和山东天岳为主的SiC晶片厂商发展速度较快,市占率提升明显。三安光电在SiC方面也在深度布局。

山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

华润微拥有3条6英寸产线和一条正在建设的12英寸产线,并拥有国内首条实现商用量产的6英寸碳化硅晶圆生产线。

露笑科技2020年引进碳化硅重磅研发团队并联合合肥政府共同投资碳化硅。

碳化硅中游–外延

外延常用PECVD法制造。

国外外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、罗姆、三菱电机、英飞凌等;器件方面相关主要企业包括英飞凌、CREE、罗姆、意法半导体等。国内从事外延片生长的企业包括厦门瀚天天成和东莞天域半导体等;从事碳化硅器件设计制造的企业包括泰科天润、华润微、绿能芯创、上海詹芯、基本半导体、中国中车等。    

同时从事外延生长和器件制作的企业包括中电科五十五所、中电科十三所和三安集成等。

外延片方面,中国瀚天天成、东莞天域半导体、国民天成均可供应4-6英寸外延片。模块方面有斯达半导体、比亚迪电子、中车时代电气等公司。

碳化硅下游–器件

下游器件的制造效率越高、单位成本越低。

器件领域国际上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量产,Cree已开始布局8英寸产线,国内企业碳化硅MOSFET还有待突破,产线在向6英寸过渡。

碳化硅器件领域代表性的企业中,目前来看在国际上技术比较领先的是美国的Cree,其覆盖了整个碳化硅产业链的上下游(衬底-外延-器件),具有核心的技术。

下游碳化硅器件市场,美国Cree占据最大市场份额,达26%,其次为罗姆和英飞凌,分别占据21%和16%的市场份额。    

英飞凌已经推出了采用转模封装的1200V碳化硅(SiC)集成功率模块(IPM),并大规模推出了SiC解决方案。

国内厂商主要有器件:泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电55所、中电13所、科能芯、中车时代电气等;模组:嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气目前碳化硅市场处于起步阶段。

碳化硅功率器件产业链公司梳理:

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资料来源:银河证券

Yole预计2025年碳化硅射频器件全球市场规模可达250亿美元,2023年碳化硅功率器件全球市场规模可达14亿美元。

在未来的10年内,碳化硅器件有望大范围地应用于工业及电动汽车领域。    

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资料来源:Yole,中信建投

碳化硅芯片怎么制造

面向未来的碳化硅芯片要如何制造?这就不得不提到一个概念:元胞。一般来说,芯片是晶圆切割完成的半成品。每片晶圆集成了数百颗芯片(数量取决于芯片大小),每颗芯片由成千上万个元胞组成。那元胞究竟要如何制造呢?

第一步

注入掩膜。首先清洗晶圆,淀积一层氧化硅薄膜,接着通过匀胶、曝光、显影等工艺步骤形成光刻胶图形,最后通过刻蚀工艺将图形转移到刻蚀掩膜上。

第二步

离子注入。将做好掩膜的晶圆放入离子注入机,注入高能离子。之后移除掩膜,进行退火以激活注入离子。

第三步    

制作栅极。在晶圆上依次淀积栅氧层、栅电极层形成门级控制结构。

第四步

制作钝化层。淀积一层绝缘特性良好的电介质层,防止电极间击穿。

第五步    

制作漏源电极。在钝化层上开孔,并溅射金属形成漏源电极。

当漏源电极和栅源电极之间加正压时,沟道开启,电子从源极流向漏极,产生从漏极流向源极的电流。至此,一个基本的功率器件即元胞就制作完成了。成千上万的元胞组成芯片,再集成到晶圆衬底,就有了像彩虹一样灿烂的晶圆!

而晶圆的碳化硅衬底,则是由物理气相传输法(PVT)制备,经碳化硅粉料的分解与升华、气体的传输与沉积、切磨抛一系列工序而成。    

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碳化硅应用领域

目前碳化硅(SiC)半导体仍处于发展初期,晶圆生长过程中易出现材料的基面位错,以致碳化硅器件可靠性下降。

另一方面,晶圆生长难度导致碳化硅材料价格昂贵,预计想要大规模得到应用仍需一段时期的技术改进。

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汽车应用领域,碳化硅器件替代硅器件是确定的发展趋势。碳化硅功率器件的应用领域在持续的拓展。    

新能源汽车产业作为一个体量快速增长、技术持续革新的战略新兴产业,将在汽车电动化渗透率提升的过程中为多个细分技术领域提供广阔的舞台,国内产业链内有望涌现多家技术领先型的黑马企业。

特斯拉Model3是第一个集成全SiC功率模块的车企,主要采购意法半导体的650V碳化硅功率器件,特斯拉逆变器由24个1-in-1功率模块组成,这些模块组装在针翅式散热器上。

比亚迪车规级的IGBT已经走到5代,碳化硅Mosfet已经走到3代,第4代正在开发当中,目前在规划自建产线。若如期实现,比亚迪将继续维持国内三电技术领先的地位,并且在续航表现上与其他国内车企拉开一大截。

5G基站方面,对碳化硅衬底也有较大需求。

根据Yole和CREE预测,受益5G的普及与5G基站的建设,碳化硅基氮化镓外延功率器件市场规模将从2018年6.45亿美金增长到2024年的20亿美金,年均复合增速达20.76%,2027年市场规模有望达到35亿美金。

碳化硅功率半导体存在的问题

尽管全球碳化硅器件市场已经初具规模,但是碳化硅功率器件领域仍然存在一些诸多共性问题亟待突破,比如碳化硅单晶和外延材料价格居高不下、材料缺陷问题仍未完全解决、碳化硅器件制造工艺难度较高、高压碳化硅器件工艺不成熟、器件封装不能满足高频高温应用需求等,全球碳化硅技术和产业距离成熟尚有一定的差距,在一定程度上制约了碳化硅器件市场扩大的步伐。碳化硅单晶材料国际上碳化硅单晶材料领域存在的问题主要有:大尺寸碳化硅单晶衬底制备技术仍不成熟。

目前国际上碳化硅芯片的制造已经从4英寸换代到6英寸,并已经开发出了8英寸碳化硅单晶样品,与先进的硅功率半导体器件相比,单晶衬底尺寸仍然偏小、缺陷水平仍然偏高。缺乏更高效的碳化硅单晶衬底加工技术。碳化硅单晶衬底材料线切割工艺存在材料损耗大、效率低等缺点,必须进一步开发大尺寸碳化硅晶体的切割工艺,提高加工效率。衬底表面加工质量的好坏直接决定了外延材料的表面缺陷密度,而大尺寸碳化硅衬底的研磨和抛光工艺仍不能满足要求,需要进一步开发研磨、抛光工艺参数,降低晶圆表面粗糙度。P型衬底技术的研发较为滞后。

目前商业化的碳化硅产品是单极型器件。未来高压双极型器件需要P型衬底。目前碳化硅P型单晶衬底缺陷较高、电阻率较高,其基础科学问题尚未得到突破,技术开发滞后。

近年来,我国碳化硅单晶材料领域取得了长足进步,但与国际水平相比仍存在一定的差距。除了以上共性问题以外,我国碳化硅单晶材料领域在以下两个方面存在巨大的风险:是本土碳化硅单晶企业无法为国内已经/即将投产的6英寸芯片工艺线提供高质量的6英寸单晶衬底材料。

碳化硅材料的检测设备完全被国外公司所垄断。碳化硅外延材料国际上碳化硅外延材料领域存在的问题主要有:N型碳化硅外延生长技术有待进一步提高。目前外延材料生长过程中气流和温度控制等技术仍不完美,在6英寸碳化硅单晶衬底上生长高均匀性的外延材料技术仍有一定挑战,一定程度影响了中低压碳化硅芯片良率的提高。P型碳化硅外延技术仍不成熟。

高压碳化硅功率器件是双极型器件,对P型重掺杂外延材料提出了要求,目前尚无满足需求的低缺陷、重掺杂的P型碳化硅外延材料。近年来我国碳化硅外延材料技术获得了长足进展,申请了一系列的专利,正在缩小与其它国家的差距,已经开始批量采用本土4英寸单晶衬底材料,产品已经打入国际市场。

但是,以下两个方面存在巨大的风险:目前国内碳化硅外延材料产品以4英寸为主,由于受单晶衬底材料的局限,尚无法批量供货6英寸产品。碳化硅外延材料加工设备全部进口,将制约我国独立自主产业的发展壮大。碳化硅功率器件虽然国际上碳化硅器件技术和产业化水平发展迅速,开始了小范围替代硅基二极管和IGBT的市场化进程,但是碳化硅功率器件的市场优势尚未完全形成,尚不能撼动目前硅功率半导体器件市场上的主体地位。

国际碳化硅器件领域存在的问题主要有:碳化硅单晶及外延技术还不够完美,高质量的厚外延技术不成熟,这使得制造高压碳化硅器件非常困难,而外延层的缺陷密度又制约了碳化硅功率器件向大容量方向发展。碳化硅器件工艺技术水平还比较低,这是制约碳化硅功率器件发展和推广实现的技术瓶颈,特别是高温大剂量高能离子注入工艺、超高温退火工艺、深槽刻蚀工艺和高质量氧化层生长工艺尚不理想,使得碳化硅功率器件中存在不同程度的高温和长期工作条件下可靠性低的缺陷。

在碳化硅功率器件的可靠性验证方面,其试验标准和评价方法基本沿用硅器件,尚未有专门针对碳化硅功率器件特点的可靠性试验标准和评价方法,导致试验情况与实际使用的可靠性有差距。在碳化硅功率器件测试方面,碳化硅器件测试设备、测试方法和测试标准基本沿用硅器件的测试方法,导致碳化硅器件动态特性、安全工作区等测试结果不够准确,缺乏统一的测试评价标准。

除了以上共性问题外,我国碳化硅功率器件领域发展还存在研发时间短,技术储备不足,进行碳化硅功率器件研发的科研单位较少,研发团队的技术水平跟国外还有一定的差距等问题,特别是在以下三个方面差距巨大:在SiCMOSFET器件方面的研发进展缓慢,只有少数单位具备独立的研发能力,存在一定程度上依赖国际代工企业来制造芯片的弊病,容易受制于人,产业化水平不容乐观。碳化硅芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断,特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等,国内大规模建立碳化硅工艺线所采用的关键设备基本需要进口。

碳化硅器件高端检测设备被国外所垄断。碳化硅功率模块当前碳化硅功率模块主要有引线键合型和平面封装型两种。为了充分发挥碳化硅功率器件的高温、高频优势,必须不断降低功率模块的寄生电感、降低互连层热阻,并提高芯片在高温下的稳定运行能力。

目前碳化硅功率模块存在的主要问题有:采用多芯片并联的碳化硅功率模块,由于结电容小、开关速度高,因此在开关过程中会出现极高的电流上升率(di/dt)和电压上升率(dv/dt),在这种情况下会产生较严重的电磁干扰和额外损耗,无法发挥碳化硅器件的优良性能。

碳化硅功率模块的封装工艺和封装材料基本沿用了硅功率模块的成熟技术,在焊接、引线、基板、散热等方面的创新不足,功率模块杂散参数较大,可靠性不高。碳化硅功率高温封装技术发展滞后。

目前碳化硅器件高温、高功率密度封装的工艺及材料尚不完全成熟。为了发挥碳化硅功率器件的高温优势,必须进一步研发先进烧结材料和工艺,在高温、高可靠封装材料及互连技术等方面实现整体突破。碳化硅功率半导体存在的问题尽管碳化硅功率器件应用前景广阔,但是目前受限于价格过高等因素,迄今为止,市场规模并不大,应用范围并不广,主要集中于光伏、电源等领域。

目前碳化硅器件应用存在的主要问题有:碳化硅功率器件的驱动技术尚不成熟。为了充分发挥碳化硅功率器件的高频、高温特性,要求其驱动芯片具有工作温度高、驱动电流大和可靠性高的特点。目前驱动芯片沿用硅器件的驱动技术,尚不能满足要求。碳化硅功率器件的保护技术尚不完善。

碳化硅功率器件具有开关频率快、短路时间短等特点,目前器件保护技术尚不能满足需求。碳化硅器件的电路应用开关模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的开关特性,尚不能对碳化硅器件的电路拓扑仿真设计提供准确的指导。碳化硅功率器件应用中的电磁兼容问题尚未完全解决。碳化硅功率器件应用的电路拓扑尚不够优化。

目前碳化硅功率器件的应用电路拓扑基本上沿用硅器件的电路拓扑,没有开发出完全发挥碳化硅功率器件优势的新型电路拓扑结构。整体而言,第三代半导体技术尚处于发展状态,还有许多不足之处。以当前运用程度最高的碳化硅为例,其技术上尚有几个缺陷:材料成本过高。

目前碳化硅芯片的工艺不如硅成熟,主要为4英寸晶圆,材料的利用率不高,而Si芯片的晶圆早已经发展到12寸。具体而言,相同规格的产品,碳化硅器件的整体价格达到硅器件的5-6倍。高温损耗过大。碳化硅器件虽然能在高温下运行,但其在高温条件下产生的高功率损耗很大程度上限制了其应用,这是与器件开发之初的目的相违背的。

封装技术滞后。目前碳化硅模块所使用的封状技术还是沿用硅模块的设计,其可靠性和寿命均无法满足其工作温度的要求。技术发展趋势行业正在破除高成本、低技术成熟度两大发展屏障如上所述,碳化硅器件性能优势突出、应用场景明确、又有产业链上下游龙头企业积极投入,可目前市场渗透率仍低。究其原因,即为受制于高制造成本、低技术成熟度两大屏障。破此二障,是技术发展方向的核心。

碳化硅器件制造的四个环节(衬底制作,外延制作、芯片制程、封装测试)各有发力。

1)碳化硅器件制造成本高昂。目前碳化硅二极管、MOSFET的成本大概是同类硅产品的2-3倍、5-10倍,而下游客户认为大规模应用碳化硅器件的普遍价格区间应是同类硅器件1.5倍左右。成本高企的主要因素是原材料价格高,尤其是占标准碳化硅器件成本50%的衬底晶圆。碳化硅原材料的特性决定了高于硅晶圆的制备难度和成本。制备温度方面,碳化硅衬底需要在2500度高温设备下进行生产,而硅晶只需1500度;生产周期方面,碳化硅晶圆约需要7至10天,而硅晶棒只需要2天半;商业化晶圆尺寸方面,目前碳化硅晶圆主要是4英寸与6英寸,而用于功率器件的硅晶圆以8英寸为主,这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少、碳化硅芯片制造成本较高。技术演进方向:衬底方面,国外龙头企业预计将在2022年左右开始批量生产8寸晶片;外延及器件方面,将继续提高产能及制造良品率。

2)碳化硅产业发展时间不长,有待更多应用验证。碳化硅不像硅产业,已在几十年的研究中积累了一套很完整的数据。碳化硅的很多性能结论都是由硅的性质推导而来,不少特性数据有待进一步实证。此外,碳化硅功率器件的产品组合尚未完善。从整个功率半导体市场来看,功率器件种类多样,主要包括二极管、MOSFET、IGBT等,分别适用于不同的领域。但是目前,碳化硅器件市场还以二极管为主,MOSFET尚未大规模推广,IGBT仍在研发。碳化硅二极管主要用于替代硅二极管,结构复杂度较低,现已大规模商用化,2019年碳化硅二极管的碳化硅器件市场占比达到85%,可谓是目前最主要的碳化硅器件。碳化硅MOSFET可替代硅基IGBT,大规模应用仍受限于产品性能稳定性及器件成熟性。碳化硅IGBT尚在研发,预计将在5-10年后才能看到相关器件原型。    

技术演进方向:器件方面,正在发展3.3kv以上的高耐压器件、并引入沟槽式设计以提高器件性能和可靠性;封装方面,将优化封装工艺以发挥碳化硅耐高温优势。

在电动汽车领域,主逆变器功率器件由IGBT替换成碳化硅之后,采购成本确实上升了将近1500元,但是却带来了整车效率的提升,导致电池装机量的下降,从电池端把成本又省回来了。例如,80度电的中高端纯电车型,按照5%的效率提升,可节省约4度电池装机量。按照目前三元锂电的成本,电池端就可以节省4000元。里外里这么一算账,单车成本反而下降了不少。

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而且,如果碳化硅模块成为了主流配置,由于规模效应,价格自然也会降下来,甚至降到与目前主流IGBT同样的水平。

碳化硅SiC-MOSFET

器件结构和特征

Si材料中越是高耐压器件,单位面积的导通电阻也越大(以耐压值的约2~2.5次方的比例增加),因此600V以上的电压中主要采用IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)。

IGBT通过电导率调制,向漂移层内注入作为少数载流子的空穴,因此导通电阻比MOSFET还要小,但是同时由于少数载流子的积聚,在Turn-off时会产生尾电流,从而造成极大的开关损耗。

SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低,不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗。

而且MOSFET原理上不产生尾电流,所以用SiC-MOSFET替代IGBT时,能够明显地减少开关损耗,并且实现散热部件的小型化。

另外,SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动,从而也可以实现无源器件的小型化。

与600V~900V的Si-MOSFET相比,SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小(可实现小型封装),而且体二极管的恢复损耗非常小。

主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。

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标准化导通电阻

SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍,所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。

因此,在相同的耐压值情况下,SiC可以得到标准化导通电阻(单位面积导通电阻)更低的器件。

例如900V时,SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1,就可以实现相同的导通电阻。

不仅能够以小封装实现低导通电阻,而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。

SJ-MOSFET只有900V的产品,但是SiC却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。

因此,没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构(导通电阻变低,则开关速度变慢),就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。

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VD-ID特性

SiC-MOSFET与IGBT不同,不存在开启电压,所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。

而Si-MOSFET在150°C时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上,与Si-MOSFET不同,SiC-MOSFET的上升率比较低,因此易于热设计,且高温下的导通电阻也很低。

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※该数据是ROHM在相同条件下测试的结果,仅供参考。此处表示的特性本公司不做任何保证。

驱动门极电压和导通电阻

SiC-MOSFET的漂移层阻抗比Si-MOSFET低,但是另一方面,按照现在的技术水平,SiC-MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低,所以沟道部的阻抗比Si器件要高。

因此,越高的门极电压,可以得到越低的导通电阻(VCS=20V以上则逐渐饱和)。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驱动电压VGS=10~15V不能发挥出SiC本来的低导通电阻的性能,所以为了得到充分的低导通电阻,推荐使用VGS=18V左右进行驱动。

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全球产能竞争格局

中国是碳化硅最大的原料生产国和消费国。在产业链条上,下游生产商往往因为靠近客户,而掌握了更多的话语权。

科锐一直是碳化硅材料(非原料)的最大生产商。在基底材料制造上,这两年科锐从80%全球占有率一路滑落至去年底的45%,仍然是最大玩家,但绝对统治力消失了。

美国的II-VI(13%),日本的罗姆(20%)、昭和电工(8%),中国的天科合达(5%)、山东天岳(3%)等纷纷挑战科锐,一时间群雄并起。

从2012年到2019年,昭和电工6次扩张碳化硅晶片产能,目前是每月9000片。

今年6月,昭和电工与最大的下游碳化硅晶片设计生产商英飞凌签署供货合约。而美国GTadvanced、德国Sicrystal等企业也都拿到了英飞凌、意法半导体等大厂的供货合约,进一步分割碳化硅市场的份额。

2021年,美国II-VI一度充当台积电在上一代半导体的角色,在福州投资碳化硅衬底加工线。未来5年,II-VI福州产能将在中国扮演重要角色。

中国企业市占率在去年提升了360%,将半绝缘衬底考虑进去的话,市占率达到10%,比上一代半导体局面(5.9%)好得多。

整个碳化硅链条上,中企掌握原料(50%全球市场份额),美国控制材料,欧洲大厂(英飞凌、罗姆、意法半导体)控制晶片和芯片制造,中国则占据应用市场的至少半壁江山。

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