碳化硅材料的案例
[科普]新一代碳化硅材料汽車功率半導體
新一代碳化硅材料
↑碳化硅材料的優勢
這些特殊的設計都是的整個功率電子的成本成指數級的上升。那么功率電子的趨勢是不是就是在目前的基礎上提高耐壓和功率能力呢？也許不是。我們回到最開始講的半導體基礎材料硅。那么如果換成其他基礎材料會怎么樣呢？
先來說一下一個概念帶隙（也叫能隙）bandgap。原子里面的結構是中間是質子中子，外圍是電子在軌道上旋轉。就像地球和衛星一樣。質子帶正電吸引帶負電的電子在固定軌道上旋轉。要讓電子脫離軌道形成自由電子就需要相應的能量。這個能量稱為躍遷能量。因此帶隙是半導體材料的一種屬性，決定了半導體材料的導電性，耐高溫，耐高電壓等等特性。
↑碳化硅材料與硅材料傳統IGBT比較
今天要講的就是寬帶隙wideband gap的半導體基礎材料在功率電子的應用。碳化硅SiC材料是硅的一種化合物。是一種非常堅硬耐高溫的陶瓷狀物質。有很多高性能跑車的陶瓷剎車片就是用碳化硅制成的。這種剎車片能夠承受更高的溫度，有更好的散熱效果。在跑車更頻繁的剎車動作下，陶瓷剎車片擁有更小的熱衰減，剎車的效果不會因為過熱而有明顯的降低。碳化硅的這種特性原因是它有更寬的帶隙，它的帶隙為硅的3倍。可以耐受更高的電壓（10倍），有更好的導熱特性（3倍）以及有更好的高溫穩定性。同時它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的開關速度。更快的開關速度就意味著更小的開關損耗。因此碳化硅材料非常適合作為功率電子器件的基礎材料。
碳化硅材料在電動汽車中的應用
↑特斯拉率先量產碳化硅材料電機逆變器
那么碳化硅器件在電動汽車上的應用是不是還離我們很遠呢？其實碳化硅材料已經在特斯拉Model3和ModelY車型的電機逆變器上量產并大量使用。
展開 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、核聚變等領域，成為先進的高溫結構及功能材料。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；熱處理用以獲得結晶度更高、導熱性能更好的碳化硅基體；設計預制體結構用以建立連續導熱通路等方法，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構與性能的構效關系，以期制備尺寸穩定、具有優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 碳化硅功率晶體的設計發展及驅動電壓限制
反之，在溝槽式結構的碳化硅功率晶體因其具有較高的門極閾值電壓（>4V），無論哪一種電路結構，都不需要使用負電壓驅動。
如上所述，碳化硅材料具有高臨界電場強度，采用碳化硅做為高壓功率晶體材料的主要考量之一，是在截止時能夠以硅材料1/10的磊晶層厚度達到相同的耐壓。但在實際上功率晶體內的門極氧化絕緣層電壓強度，限制了碳化硅材料能夠被使用的最大臨界電場強度，這是因為門極氧化絕緣層的最大值僅有10MV/cm。按高斯定律推算，功率晶體內與門極氧化絕緣層相鄰的碳化硅所能使用的場強度僅有4MV/cm，如圖3所示。碳化硅材料的場強度越高，對門極氧化絕緣層造成的場強度就越高，對功率晶體可靠度的挑戰就越大。因此在碳化硅材料臨界電場強度的限制，使功率晶體的設計者必須采用不同于傳統的溝槽式功率晶體結構，在能夠達到更低碳化硅材料場強度下，盡可能減少門極氧化絕緣層的厚度，以降低通道電阻值。在可能有效降低碳化硅材料臨界電場強度的溝槽式碳化硅功率晶體結構，如英飛凌的非對稱溝槽式（Asymmetric Trench）結構或是羅姆的雙溝槽式（Double trench）結構，都是能夠在達到低通態電阻的條件之下，維持門極氧化絕緣層的厚度，因門極氧化絕緣層決定了它的可靠度。
圖3 門極氧化層場強度限制了功率晶體內碳化硅材料的場強度
(a)
(b)
圖4 碳化硅功率晶體結構
（a）英飛凌的非對稱溝槽式結構 （b）羅姆的雙溝槽式結構
門極氧化絕緣層的電場強度挑戰不僅來自碳化硅材料的影響，也來自門極氧化絕緣層它本身。
展開 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
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干貨 | 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07
碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
來源：基本半導體
展開 干貨 | 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07
碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
來源：基本半導體
展開 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
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。
展開 資訊 | 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
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。
展開 資訊 | 總投資175億的碳化硅項目或將落地山西
作為央地合作的重大戰略布局，中國電科（山西）碳化硅材料產業基地啟動后，將徹底打破國外對我國碳化硅封鎖的局面，實現碳化硅的完全自主供應。
此外，成立于2018年10月的山西爍科晶體有限公司亦實現了5G芯片襯底材料碳化硅的國產自主供應。據山西日報此前報道，山西爍科晶體碳化硅半導體材料產能占據國內第一，市場占有率超過50%。該公司總經理今年5月在接受中央電視臺《新聞聯播》采訪時還透露，正在積極布局第四代的半導體材料。
《山西省“十四五”新材料規劃》亦提到，“十四五”期間，重點發展碳化硅、砷化鎵、藍寶石等材料，加快引進器件設計、制造、封裝、測試、應用等產業鏈項目入晉落地，建成國家重要的半導體研發生產基地。
展開 碳化硅產業鏈條核心：外延技術
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。
展開 國內碳化硅產業鏈！
除了以上共性問題以外，我國碳化硅單晶材料領域在以下兩個方面存在巨大的風險：
是本土碳化硅單晶企業無法為國內已經/即將投產的6英寸芯片工藝線提供高質量的6英寸單晶襯底材料。
碳化硅材料的檢測設備完全被國外公司所壟斷。
2、 碳化硅外延材料
國際上碳化硅外延材料領域存在的問題主要有：
N型碳化硅外延生長技術有待進一步提高。目前外延材料生長過程中氣流和溫度控制等技術仍不完美，在6英寸碳化硅單晶襯底上生長高均勻性的外延材料技術仍有一定挑戰，一定程度影響了中低壓碳化硅芯片良率的提高。
P型碳化硅外延技術仍不成熟。高壓碳化硅功率器件是雙極型器件，對P型重摻雜外延材料提出了要求，目前尚無滿足需求的低缺陷、重摻雜的P型碳化硅外延材料。
近年來我國碳化硅外延材料技術獲得了長足進展，申請了一系列的專利，正在縮小與其它國家的差距，已經開始批量采用本土4英寸單晶襯底材料，產品已經打入國際市場。
但是，以下兩個方面存在巨大的風險：
目前國內碳化硅外延材料產品以4英寸為主，由于受單晶襯底材料的局限，尚無法批量供貨6英寸產品。
碳化硅外延材料加工設備全部進口，將制約我國獨立自主產業的發展壯大。
3、碳化硅功率器件
雖然國際上碳化硅器件技術和產業化水平發展迅速，開始了小范圍替代硅基二極管和IGBT的市場化進程，但是碳化硅功率器件的市場優勢尚未完全形成，尚不能撼動目前硅功率半導體器件市場上的主體地位。國際碳化硅器件領域存在的問題主要有：
碳化硅單晶及外延技術還不夠完美，高質量的厚外延技術不成熟，這使得制造高壓碳化硅器件非常困難，而外延層的缺陷密度又制約了碳化硅功率器件向大容量方向發展。
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碳化硅產業鏈條核心：外延技術
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。
展開 半導體碳化硅（SiC）行業研究：打開新能源汽車百億市場空間
1、碳化硅(SiC):新一代半導體材料，打開新能源車百億市場空間
1.1 碳化硅半導體材料
第三代半導體性能優越，應用場景更廣。半導體材料作為電子信息技術發展的 基礎，經歷了數代的更迭。隨著應用場景提出更高的要求，以碳化硅、氮化鎵為代 表的第三代半導體材料逐漸進入產業化加速放量階段。相較于前兩代材料，碳化硅 具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優越性能，廣泛應用于制作高溫、高頻、大功率和 抗輻射電子器件。
碳化硅器件應用場景廣闊。因其高熱導性、高擊穿電場強度及高電流密度，基 于碳化硅材料的半導體器件可應用于汽車、充電設備、便攜式電源、通信設備、機 械臂、飛行器等多個工業領域。其應用的范圍也在不斷地普及和深化，是一種應用 前景非常廣泛、非常具有價值的材料。
1.2 碳化硅的優勢分析
第三代半導體材料禁帶寬度遠大于前兩代。第一代和第二代半導體都是窄帶隙 半導體，而從第三代半導體開始，寬禁帶(帶隙大于 2.2eV)半導體材料開始被大 量應用。碳化硅作為第三代半導體的典型代表，具有 200 多種空間結構，不同的結 構對應著不同的帶隙值，一般在 2.4eV-3.35eV 之間。碳化硅材料除寬禁帶之外，還 具有高擊穿場強、高飽和漂移速度及高穩定性、最大功率等優點。
1.2.1 寬禁帶:提高材料穩定性和擊穿電場強度
禁帶寬度決定材料特性，寬禁帶提高更好性能。
展開 碳化硅器件在UPS中的應用研究
而隨著第三代半導體材料的蓬勃發展，特別是碳化硅二極管，由于其反向恢復電流小，反向恢復時間短，應用于模塊化UPS中，可以提高UPS整機效率，滿足IDC對PUE的要求。本文將從碳化硅材料和可靠性出發，通過對UPS拓撲的分析，介紹碳化硅器件特別是碳化硅MOSFET在UPS中的應用[6]。
2.碳化硅材料介紹
碳化硅和硅材料的特性對比如表1所示，其中更高的帶隙和擊穿電壓對應了碳化硅器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐壓等級；更高的熱導率表明碳化硅器件熱阻可以做到更小。更高的開關速度意味著讓系統可使用簡單而容易控制的電路（兩電平而非三電平），讓系統可使用高開關頻率及小型磁元件，在更小的機箱處理相同的功率。以上優勢分析都表明，碳化硅功率器件可以極大的提高電力電子能量轉換功率密度，效率和可靠性并降低系統成本。在UPS和光伏太陽能領域，正逐步投入使用。
展開 碳化硅單晶襯底加工技術現狀及發展趨勢
研磨工藝中需要控制合適的壓力參數，使磨粒具有足夠的機械能實現材料去除。研磨壓力和轉速過小，則晶片去除率不足，影響加工效率; 若過大，則晶片幾何尺寸變差，且晶片容易被壓碎，影響成品率。研磨液中的磨粒硬度越高粒徑越大，被加工晶片表面粗糙度越大。研磨盤過硬會損壞和污染工件表面，軟研磨盤可允許磨料更多的滑動運動，加工后表面光潔度高，但平面度低。未來薄化加工的主要研究方向在于開發新型砂輪( 主要研究磨料與砂輪結合劑) 、研磨液/盤( 如半固著磨料磨盤) ，優化研磨過程的工藝參數。此外，研究表明，當碳化硅材料去除深度小于 500 nm 時，高壓相變現象會導致碳化硅材料以延性方式去除，延性域模式下的加工損傷深度低于脆性斷裂模式，延性域磨削技術是薄化工藝的發展方向之一。為防止碎片，優化單面研磨技術是未來薄化加工大尺寸碳化硅晶片的主要技術發展趨勢。
4 碳化硅晶片的拋光
拋光工藝的實質是離散原子的去除。碳化硅單晶襯底要求被加工表面有極低的表面粗
糙度，Si面在 0. 3 nm 之內，C 面在 0. 5 nm 之內。
根據 GB /T 30656－2014，4 寸碳化硅單晶襯底加工標準如表2 所示。
4. 1 拋光技術研究現狀
碳化硅晶片的拋光工藝可分為粗拋和精拋，粗拋為機械拋光，目的在于提高拋光的加工效率。碳化硅單晶襯底機械拋光的關鍵研究方向在于優化工藝參數，改善晶片表面粗糙度，提高材料去除率。
目前，關于碳化硅晶片雙面拋光的報道較少，相關工藝參數有待進一步優化。精拋為單面拋光，化學機械拋光是應用最為廣泛的拋光技術，通過化學腐蝕和機械磨損協同作用，實現材料表面去除及平坦化。
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