碳化硅的案例
碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯(lián)應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向?qū)娮璧汀㈤_關(guān)速度快、驅(qū)動電路筒單等優(yōu)點。碳化硅MOSFET的漂移區(qū)相對較薄，它的正向?qū)娮璧停瑢〒p耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統(tǒng)硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結(jié)電容也更小（相對介電常數(shù)：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結(jié)電容使得器件的開關(guān)速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，驅(qū)動功耗較低，而柵氧結(jié)構(gòu)讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅(qū)動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統(tǒng)硅IGBT的驅(qū)動電路可以直接驅(qū)動碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來說明。
當柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導電通路，MOSFET導電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個部分等效電阻串聯(lián)組成。
當柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復存在，漏源之間開始具備承受高電壓應力的條件。
展開 國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈！
碳化硅（SiC）材料是功率半導體行業(yè)主要進步發(fā)展方向，用于制作功率器件，可顯著提高電能利用率。可預見的未來內(nèi)，新能源汽車是碳化硅功率器件的主要應用場景。特斯拉作為技術(shù)先驅(qū)，已率先在Model 3中集成全碳化硅模塊，其他一線車企亦皆計劃擴大碳化硅的應用。隨著碳化硅器件制造成本的日漸降低、工藝技術(shù)的逐步成熟，碳化硅功率器件行業(yè)未來可期。
【什么是碳化硅?】
碳化硅（SiC）是第三代化合物半導體材料。半導體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料（碳化硅、氮化鎵） 。碳化硅因其優(yōu)越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，將是未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎(chǔ)材料。
【碳化硅的物理化學性能】
碳化硅在半導體芯片中的主要形式為襯底。半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結(jié)構(gòu)都可劃分為“襯底-外延-器件” 結(jié)構(gòu)。碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。
碳化硅晶片是碳化硅晶體經(jīng)過切割、研磨、拋光、清洗等工序加工形成的單晶薄片。
碳化硅晶片作為半導體襯底材料，經(jīng)過外延生長、器件制造等環(huán)節(jié)，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件，是第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。
根據(jù)電阻率不同，碳化硅晶片可分為導電型和半絕緣型。其中，導電型碳化硅晶片主要應用于制造耐高溫、耐高壓的功率器件，市場規(guī)模較大；半絕緣型碳化硅襯底主要應用于微波射頻器件等領(lǐng)域，隨著 5G 通訊網(wǎng)絡的加速建設，市場需求提升較為明顯。
展開 碳化硅，究竟貴在哪里？
碳化硅半導體，是新近發(fā)展的寬禁帶半導體的核心材料，以其制作的器件具有耐高溫、耐高壓、高頻、大功率、抗輻射等特點，具有開關(guān)速度快、效率高的優(yōu)勢，可大幅降低產(chǎn)品功耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率并減小產(chǎn)品體積，主要應用于以5G通信、國防軍工、航空航天為代表的射頻領(lǐng)域和以新能源汽車、“新基建”為代表的電力電子領(lǐng)域，在民用、軍用領(lǐng)域均具有明確且可觀的市場前景。我國“十四五”規(guī)劃已將碳化硅半導體納入重點支持領(lǐng)域，隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的實施，碳化硅半導體將在5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心等新基建領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此，以碳化硅為代表的寬禁帶半導體是面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。
碳化硅在制造射頻器件、功率器件等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。但是在射頻器件、功率器件領(lǐng)域，碳化硅襯底的市場應用瓶頸為其較高的生產(chǎn)成本。影響碳化硅襯底成本的制約性因素在于生產(chǎn)速率慢、產(chǎn)品良率低，主要系：目前主流商用的PVT 法晶體生長速度慢、缺陷控制難度大。相較于成熟的硅片制造工藝，碳化硅襯底短期內(nèi)依然較為高昂。例如，目前碳化硅功率器件的價格仍數(shù)倍于硅基器件，下游應用領(lǐng)域仍需平衡碳化硅器件的高價格與因碳化硅器件的優(yōu)越性能帶來的綜合成本下降之間的關(guān)系，短期內(nèi)一定程度上限制了碳化硅器件的滲透率，其成本高限制了其在下端市場的應用場景以及市場滲透，那么碳化硅具體貴在什么地方呢？
展開 碳化硅“狂飆”：追趕、內(nèi)卷、替代
因為碳化硅在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在單晶生產(chǎn)周期長、環(huán)境要求高、良率低等問題，碳化硅襯底的生產(chǎn)中的長晶環(huán)節(jié)需要在高溫、真空環(huán)境中進行，對溫場穩(wěn)定性要求高，并且其生長速度比硅材料有數(shù)量級的差異。因此，碳化硅襯底生產(chǎn)工藝難度大，良率不高。
這直接導致了碳化硅襯底價格高、產(chǎn)能低的問題。
SiC MOSFET和IGBT價格對比
（圖源：中國科學院電工研究所）
其中，襯底是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的核心，也是未來碳化硅產(chǎn)業(yè)降本、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的主要驅(qū)動力。因此，提高襯底良率和產(chǎn)能是SiC降本的核心。
伏友文指出，為進一步提高生產(chǎn)效率并降低成本，大尺寸是碳化硅襯底制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。
近年來，碳化硅襯底正不斷向大尺寸方向演進，襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數(shù)量越多，單位芯片成本就越低。
目前，主流碳化硅襯底尺寸為6英寸，8英寸襯底正在成為行業(yè)重要的技術(shù)演化方向，在降低器件單位成本、增加產(chǎn)能供應方面擁有巨大的潛力。
據(jù)Wolfspeed統(tǒng)計，6英寸SiC晶圓中邊緣芯片占比有14%，而到8英寸中占比降低到7%。伴隨著尺寸擴張帶來的規(guī)模效應以及自動化產(chǎn)線帶來的相關(guān)成本的降低，Wolfspeed預計至2024年，8英寸襯底帶來的單位芯片成本相較于2022年6英寸襯底的單位芯片成本降低超過60%，這將持續(xù)推進碳化硅產(chǎn)品的降價，從而打開應用市場。
從技術(shù)進展來看，國產(chǎn)碳化硅廠商基本以6英寸碳化硅晶圓為主，而Wolfspeed、ROHM、英飛凌、ST等國際碳化硅大廠已經(jīng)紛紛邁入8英寸，并將量產(chǎn)節(jié)點提前到今年。
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碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈全面梳理
碳化硅下游 -- 器件
下游器件的制造效率越高、單位成本越低。
器件領(lǐng)域國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產(chǎn)，Cree已開始布局8英寸產(chǎn)線，國內(nèi)企業(yè)碳化硅MOSFET還有待突破，產(chǎn)線在向6英寸過渡。
碳化硅器件領(lǐng)域代表性的企業(yè)中，目前來看在國際上技術(shù)比較領(lǐng)先的是美國的Cree，其覆蓋了整個碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術(shù)。
下游碳化硅器件市場，美國Cree占據(jù)最大市場份額，達26%，其次為羅姆和英飛凌，分別占據(jù)21%和16%的市場份額。
英飛凌已經(jīng)推出了采用轉(zhuǎn)模封裝的1200V碳化硅（SiC）集成功率模塊（IPM），并大規(guī)模推出了SiC解決方案。
國內(nèi)廠商主要有器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣等；模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣目前碳化硅市場處于起步階段。
碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈公司梳理：
資料來源：銀河證券
Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規(guī)模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規(guī)模可達14億美元。
在未來的10年內(nèi)，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業(yè)及電動汽車領(lǐng)域。
資料來源：Yole, 中信建投
碳化硅應用領(lǐng)域
目前碳化硅（SiC）半導體仍處于發(fā)展初期，晶圓生長過程中易出現(xiàn)材料的基面位錯，以致碳化硅器件可靠性下降。
另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規(guī)模得到應用仍需一段時期的技術(shù)改進。
汽車應用領(lǐng)域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發(fā)展趨勢。
展開 市場需求飆升，碳化硅爆發(fā)在即
正由于碳化硅的安定性，使得碳化硅應用于功率半導體元件的時候，其參數(shù)條件都非常優(yōu)秀。碳化硅功率元件不只具備超越硅半導體的低電阻、高速工作及高溫工作特性，而且能有效降低電力輸送到機器或裝置之間時，各種功率轉(zhuǎn)換所導致的能源損耗。在過去，很多體積龐大的變壓器，現(xiàn)在體型都悄悄的縮小了，這正是由于碳化硅加持的緣故。碳化硅元件的市場正逐步邁入成長期，在不久的未來，碳化硅將能為我們的生活帶來更多的便利。
來源：CTIMES
熱管理用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料研究進展
來源 | 無機材料學報
作者 | 陳強，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學 空天科學學院，材料科學與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復合材料以其高比強度、高比模量、高導熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應用于航空航天、摩擦制動、核聚變等領(lǐng)域，成為先進的高溫結(jié)構(gòu)及功能材料。本文綜述了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料制備及性能等方面的最新研究進展。研究通過引入高導熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強熱輸運能力；優(yōu)化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結(jié)晶度更高、導熱性能更好的碳化硅基體；設計預制體結(jié)構(gòu)用以建立連續(xù)導熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復合材料的熱導率。此外，本文展望了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料后續(xù)研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復合材料性能要素，優(yōu)化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導熱碳化硅陶瓷基復合材料導熱機理，靈活運用復合材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，以期制備尺寸穩(wěn)定、具有優(yōu)異熱物理性能的各向同性高導熱碳化硅陶瓷基復合材料。
展開 碳化硅單晶襯底加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
摘 要:
碳化硅單晶具有極高的硬度和脆性，傳統(tǒng)加工方式已經(jīng)不能有效地獲得具有超高光滑表面的碳化硅晶片。針對碳化硅單晶襯底加工技術(shù)，本文綜述了碳化硅單晶切片、薄化與拋光工藝段的研究現(xiàn)狀，分析對比了切片、薄化、拋光加工工藝機理，指出了加工過程中的關(guān)鍵影響因素和未來發(fā)展趨勢。
1、背景與意義
作為半導體產(chǎn)業(yè)中的襯底材料，碳化硅單晶具有優(yōu)異的熱、電性能，在高溫、高頻、大功率、抗輻射集成電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。碳化硅襯底加工精度直接影響器件性能，因此外延應用對碳化硅晶片表面質(zhì)量的要求極為嚴苛。碳化硅硬度高、脆性大、化學性質(zhì)穩(wěn)定，傳統(tǒng)加工方法不完全適用。受加工技術(shù)的制約，目前高表面質(zhì)量碳化硅晶片的加工效率極低。
碳化硅單晶的加工過程主要分為切片、薄化和拋光。全球碳化硅制造加工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)尚未成熟，在一定程度上限制了碳化硅器件市場的發(fā)展，要充分實現(xiàn)碳化硅襯底的優(yōu)異性能，開發(fā)高表面質(zhì)量碳化硅晶片加工技術(shù)是關(guān)鍵所在。本文主要針對碳化硅晶片的加工工藝做相關(guān)論述。
2 碳化硅單晶的切片
作為碳化硅單晶加工過程的第一道工序，切片的性能決定了后續(xù)薄化、拋光的加工水平。切片加工易在晶片表面和亞表面產(chǎn)生裂紋，增加晶片的破片率和制造成本，因此控制晶片表層裂紋損傷，對推動碳化硅器件制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
2. 1 切片技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
傳統(tǒng)的鋸切工具如內(nèi)圓鋸片、金剛石帶鋸，轉(zhuǎn)彎半徑受限，切縫較寬，出片率較低，不適用于碳化硅晶體切割。
展開 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈條核心：外延技術(shù)
01
碳化硅外延
外延
工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。
碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產(chǎn)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(jié)構(gòu)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。
02
SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)
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。
展開 干貨 | 碳化硅材料技術(shù)對器件可靠性的影響
前言
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關(guān)鍵的四個環(huán)節(jié)，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)探究材料特性及缺陷產(chǎn)生的原因，與上下游企業(yè)協(xié)同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01
碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質(zhì)異構(gòu)體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。
展開 干貨 | 碳化硅材料技術(shù)對器件可靠性的影響
前言
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關(guān)鍵的四個環(huán)節(jié)，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)探究材料特性及缺陷產(chǎn)生的原因，與上下游企業(yè)協(xié)同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01
碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質(zhì)異構(gòu)體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結(jié)構(gòu)的碳化硅晶體。
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資訊 | 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈條核心：外延技術(shù)
01 碳化硅外延
外延工藝是整個產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝，由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底。加工的影響，處在一個產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。
碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
碳化硅一般采用PVT方法，溫度高達2000多度，且加工周期比較長，產(chǎn)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(jié)構(gòu)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。
02 SiC外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈條核心的中間環(huán)節(jié)
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。
展開 碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈條核心：外延技術(shù)
這也是很多廠商傾向于使用碳化硅的原因，可以優(yōu)化零部件在車上的布置，節(jié)省更多的空間。
特斯拉Model 3 電驅(qū)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(yè)務和豐田開展合作。
一文看懂碳化硅（SiC）產(chǎn)業(yè)鏈
碳化硅下游 ——器件
下游器件的制造效率越高、單位成本越低。
器件領(lǐng)域國際上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量產(chǎn)，Cree已開始布局8英寸產(chǎn)線，國內(nèi)企業(yè)碳化硅MOSFET還有待突破，產(chǎn)線在向6英寸過渡。
碳化硅器件領(lǐng)域代表性的企業(yè)中，目前來看在國際上技術(shù)比較領(lǐng)先的是美國的Cree，其覆蓋了整個碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的上下游（襯底-外延-器件），具有核心的技術(shù)。
下游碳化硅器件市場，美國Cree占據(jù)最大市場份額，達26%，其次為羅姆和英飛凌，分別占據(jù)21%和16%的市場份額。
英飛凌已經(jīng)推出了采用轉(zhuǎn)模封裝的1200V碳化硅（SiC）集成功率模塊（IPM），并大規(guī)模推出了SiC解決方案。
國內(nèi)廠商主要有器件：泰科天潤、瀚薪、揚杰科技、中電55所、中電13所、科能芯、中車時代電氣等；模組：嘉興斯達、河南森源、常州武進科華、中車時代電氣目前碳化硅市場處于起步階段。
碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)鏈公司梳理：
資料來源：銀河證券
Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規(guī)模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規(guī)模可達14億美元。
在未來的10年內(nèi)，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業(yè)及電動汽車領(lǐng)域。
展開 碳化硅材料技術(shù)對器件可靠性的影響
來源：基本半導體
碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環(huán)節(jié)。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關(guān)鍵的四個環(huán)節(jié)，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)探究材料特性及缺陷產(chǎn)生的原因，與上下游企業(yè)協(xié)同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質(zhì)異構(gòu)體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結(jié)構(gòu)。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結(jié)構(gòu)的碳化硅晶體。
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