碳化硅为什么是第三代半导体最重要的材料？

一、碳化硅的前世今生

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其他用途，例如：以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。低品级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加快炼钢速度，并便于控制化学成分，提高钢的质量。此外，碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。
碳化硅历程表

1905年次在陨石中发现碳化硅

1907年只碳化硅晶体发光二极管诞生

1955年理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳化概念，从此将SiC作为重要的电子材料

1958年在波士顿召开次世界碳化硅会议进行学术交流

1978年六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法

1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供应商开始提供商品化的碳化硅基。

2001年德国Infineon公司推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。

2013年9月29日，碳化硅半导体国际学会“ICSCRM2013”召开，24个国家的半导体企业、科研院校等136家单位与会，人数达到794人次，为历年来之最。国际知名的半导体器件厂商，如科锐、三菱、罗姆、英飞凌、飞兆等在会议上均展示出了最新量产化的碳化硅器件。

到现在已经有很多厂商生产碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

二、碳化硅器件的优势特性

碳化硅（SiC）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对SiC的研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力积极发展，美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。
与普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

1、高压特性

碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍，碳化硅肖特基管耐压可达2400V。碳化硅场效应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大。

2、高频特性

3、高温特性

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。

三、最受关注的碳化硅MOS

1、SiC-MOSFET

SiC-MOSFET是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。

碳化硅MOS的结构碳化硅MOSFET（SiCMOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：

平面vs沟槽

碳化硅MOS的优势

硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半，50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

碳化硅MOS管的应用

碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiCMOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。

四、碳化硅肖特二极管

1、碳化硅肖特基二极管结构

碳化硅肖特基二极管（SiCSBD）的器件采用了结势垒肖特基二极管结构（JBS），可以有效降低反向漏电流，具备更好的耐高压能力。

2、碳化硅肖特基二极管优势

碳化硅肖特基二极管是一种单极型器件，因此相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流（如图1.2a），反向恢复时间小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二极管的主要优势，有如下特点：

1.几乎无开关损耗

2.更高的开关频率

3.更高的效率

4.更高的工作温度

5.正的温度系数，适合于并联工作

6.开关特性几乎与温度无关

碳化硅肖特基二极管的应用

碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率领域，可显著的减少电路的损耗，提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在300kHz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。

五、人们是如何评价碳化硅的?

几乎凡能读到的文章都是这样介绍碳化硅：

碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管,与相同耐压的硅器件相比,其漂移电阻区的厚度薄了一个数量级。其杂质浓度可为硅的2个数量级。由此,碳化硅器件的单位面积的阻抗仅为硅器件的100分之一。它的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻。因而碳化硅器件的发热量极低。这有助于减少传导和开关损耗，工作频率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半导体还有的固有的强抗辐射能力。

近年利用碳化硅材料制作的IGBT(绝缘栅双极晶体管)等功率器件,已可采用少子注入等工艺,使其通态阻抗减为通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身发热量小,因而碳化硅器件的导热性能极优。还有,碳化硅功率器件可在400℃的高温下正常工作。其可利用体积微小的器件控制很大的电流。工作电压也高得多。

六、目前碳化硅器件发展情况如何?

1，技术参数：举例来说，肖特基二极管电压由250伏提高到1000伏以上，芯片面积小了，但电流只有几十安。工作温度提高到180℃，离介绍能达600℃相差很远。压降更不尽人意，与硅材料没有差别，高的正向压降要达到2V。

2，市场价格：约为硅材料制造的5到6倍。

七、碳化硅(SiC)器件发展中的难题在哪里?

综合各种报道，难题不在芯片的原理设计，特别是芯片结构设计解决好并不难。难在实现芯片结构的制作工艺。

举例如下：

1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷，在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前，大功率电力电子器件就难以用碳化硅来制造。尽管优质晶片的微管密度已达到不超过15cm-2的水平。但器件制造要求直径超过100mm的碳化硅晶体，微管密度低于0.5cm-2。

2，外延工艺效率低。碳化硅的气相同质外延一般要在1500℃以上的高温下进行。由于有升华的问题，温度不能太高，一般不能超过1800℃，因而生长速率较低。液相外延温度较低、速率较高，但产量较低。

3，掺杂工艺有特殊要求。如用扩散方法进行惨杂，碳化硅扩散温度远高于硅，此时掩蔽用的SiO2层已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在这样的高温下也不稳定，因此不宜采用扩散法掺杂，而要用离子注入掺杂。如果p型离子注入的杂质使用铝。由于铝原子比碳原子大得多，注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，往往要在相当高的衬底温度下进行，并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面碳化硅分解、硅原子升华的问题。目前，p型离子注入的问题还比较多，从杂质选择到退火温度的一系列工艺参数都还需要优化。

4，欧姆接触的制作。欧姆接触是器件电极引出十分重要的一项工艺。在碳化硅晶片上制造金属电极，要求接触电阻低于10-5Ωcm2，电极材料用Ni和Al可以达到，但在100℃以上时热稳定性较差。采用Al/Ni/W/Au复合电极可以把热稳定性提高到600℃、100h，不过其接触比电阻高达10-3Ωcm2。所以要形成好的碳化硅的欧姆接触比较难。

5，配套材料的耐温。碳化硅芯片可在600℃温度下工作，但与其配套的材料就不见得能耐此高温。例如，电极材料、焊料、外壳、绝缘材料等都限制了工作温度的提高。

以上仅举数例，不是全部。还有很多工艺问题还没有理想的解决办法，如碳化硅半导体表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态对碳化硅MOSFET器件的长期稳定性影响方面，行业中还有没有达成一致的结论等，大大阻碍了碳化硅功率器件的快速发展。

八、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。

SIC工业生产的晶片和晶片的微管密度的进展

上图看出，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MOSFETSCHOTTKY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材料。

第3代半导体是指以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、金刚石、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料，各类半导体材料的带隙能比较见表1。与传统的第1代、第2代半导体材料硅（Si）和砷化镓（GaAs）相比，第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力，是世界各国半导体研究领域的热点。

目前，第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命，无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品，都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。

1、碳化硅单晶材料

在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。

随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。

SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree公司、Bandgap公司、DowDcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon公司、Sixon公司；芬兰的Okmetic公司；德国的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree公司最强，其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平，专家预测在未来的几年里Cree公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

2、氮化镓材料

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在大气压力下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构，它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的1/2；其化学性质稳定，常温下不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解；在HCl或H2下高温中呈现不稳定特性，而在N2下最为稳定。GaN材料具有良好的电学特性，宽带隙(3.39eV)、高击穿电压(3×106V/cm)、高电子迁移率(室温1000cm2/V·s)、高异质结面电荷密度(1×1013cm-2)等，因而被认为是研究短波长光电子器件以及高温高频大功率器件的选材料，相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温度的情况下工作。另外，氮化镓器件可以在1~110GHz范围的高频波段应用，这覆盖了移动通信、无线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等波段。

近年来，以GaN为代表的Ⅲ族氮化物因在光电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛的关注。作为一种具有独特光电属性的半导体材料，GaN的应用可以分为两个部分：凭借GaN半导体材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半导体材料；凭借GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势，其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。

国外在氮化镓体单晶材料研究方面起步较早，现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出现了可以生产氮化镓体单晶材料的公司，其中以美国、日本的研究水平最高。

美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究，一直处于领先地位，先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底。Kyma公司现在已经可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底，且已研制出4英寸氮化镓单晶衬底。

日本在氮化镓衬底方面研究水平也很高，其中住友电工(SEI)和日立电线(HitachiCable)已经开始批量生产氮化镓衬底，日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展了相关研究。日立电线的氮化镓衬底，直径达2英寸，衬底上位错密度都达到1×106cm-2水平。

欧洲氮化镓体单晶的研究主要有波兰的Top-GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产GaN材料采用HVPE工艺，位错密度1×107cm-2，厚度0.1～2mm，面积大于400mm2。综上，国外的氮化镓体单晶衬底研究已经取得了很大进展，部分公司已经实现了氮化镓体单晶衬底的商品化，技术趋于成熟，下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料。

3、氮化铝材料

AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV的直接带隙，可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓等材料相比，覆盖的光谱带宽更大，尤其适合从深紫外到蓝光方面的应用，同时Ⅲ族氮化物具有化学稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数低等优点，使得Ⅲ族氮化物器件相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅器件，可以在更高频率、更高功率、更高温度和恶劣环境下工作，是最具发展前景的一类半导体材料。

AlN材料具有宽禁带(6.2eV)，高热导率(3.3W/cm·K)，且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好，所以AlN是制作先进高功率发光器件(LED，LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。

近年来，GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展。在AlGaNHEMT器件方面，AlN与GaN材料相比有着更高的热导率，而且更容易实现半绝缘；与SiC相比，则晶格失配更小，可以大大降低器件结构中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底，其优点包括：与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配；化学性质相容；晶体结构相同，不出现层错层；同样有极化表面；由于有很高的稳定性并且没有其它元素存在，很少会有因衬底造成的沾污。AlN材料能够改善器件性能，提高器件档次，是电子器件发展的源动力和基石。

目前国外在AlN单晶材料发展方面，以美国、日本的发展水平为最高。美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术，并实现产业化的唯一单位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或蓝宝石衬底上淀积10～30μm的电绝缘AlN层。主要用作低缺陷电绝缘衬底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已经有2、3、4、6英寸产品。日本的AlN技术研究单位主要有东京农工大学、三重大学、NGK公司、名城大学等，已经取得了一定成果，但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN方面也有一定的研究水平,俄罗斯NitrideCrystal公司也已经研制出直径达到15mm的PVTAlN单晶样品。在国内，AlN方面的研究较国外明显滞后，一些科研单位在AlNMOCVD外延生长方面，也有了初步的探索，但都没有明显的突破及成果。

4、金刚石

金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。在这种结构中，每个碳原子以“强有力”的刚性化学键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金刚石晶体中，碳原子半径小，因而其单位体积键能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10400kg/mm2)。

另外，金刚石材料还具有禁带宽度大(5.5eV)；热导率高，最高达120W/cm·K(-190℃)，一般可达20W/cm.K(20℃)；传声速度最高，介电常数小，介电强度高等特点。金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的半导体材料。依据金刚石优良的特性，应用十分广泛，除传统的用于工具材料外，还可用于微电子、光电子、声学、传感等电子器件领域。

5、氧化锌

氧化锌（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纤锌矿结构的半导体材料，禁带宽度为3.37eV；另外，其激子束缚能(60meV)比GaN(24meV)、ZnS(39meV)等材料高很多，如此高的激子束缚能使它在室温下稳定，不易被激发(室温下热离化能为26meV)，降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发效率。基于这些特点，ZnO材料既是一种宽禁带半导体，又是一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。

它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光电器件，还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口材料以及变阻器、压电转换器等。相对于GaN，ZnO制造LED、LD更具优势，具预计，ZnO基LED和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍，而价格和能耗则只有后者的1/10。
ZnO材料以其优越的特性被广泛应用，受到各国极大关注。

日、美、韩等发达国家已投入巨资支持ZnO材料的研究与发展，掀起世界ZnO研究热潮。据报道，日本已生长出直径达2英寸的高质量ZnO单晶；我国有采用CVT法已生长出了直径32mm和直径45mm、4mm厚的ZnO单晶。材料技术的进步同时引导和推进器件技术的进步，日本研制出基于ZnO同质PN结的电致发光LED；我国也成功制备出国际首个同质ZnO－LED原型器件，实现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步，推动ZnO半导体材料实用化进程，由于其独特的优势，在国防建设和国民经济上将有很重要的应用，前景无限。

十、结语

宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。