第三代半导体材料-碳化硅介绍

半导体工艺与设备 2021-07-29 08:16

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物质的存在形式是多样的,人们通常把导电性差的材料,如木材、琥珀、玻璃等,称为绝缘体;把导电性好的材料,如金、银、铜、铁、铝等金属,成为导体。而导电性介于绝缘体和导体之间的材料,成为半导体。但从材料科学的角度看,半导体与绝缘体、导体的本质区别并不是电阻率,半导体与金属导体的区别在于金属原子中价电子占据的能带是占满的,使得金属是良好的导体;而半导体与绝缘体的区别在于禁带宽度的不同,绝缘体的禁带宽度非常大,使得电子无法通过自身的热能量跃迁至导带与从而导电。

从能带角度看,可以划分为三个半导体材料时代。

第一代半导体材料以硅和锗等元素半导体材料为代表。其典型应用是集成电路,主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中,在未来一段时间,硅半导体材料的主导地位仍将存在。但是,硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频、高功率电子器件上的应用。

第二代半导体材料以砷化镓和磷化铟(InP)为代表。以砷化镓材料为例,其做成的器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能,被公认为很合适的通信用半导体材料,但其无法满足中短波长光电子器件及高温、高频和高功率器件领域的应用。另外,由于砷化镓材料的毒性,可能会引起环境污染,对人体健康构成潜在的危险。

第三代半导体材料是指Ⅲ族氮化物(如氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等)、碳化硅、氧化物半导体(如氧化锌(ZnO)、氧化镓(GaO)、钙钛矿(CaTiO3)等)和金刚石等宽禁带半导体材料。

在大功率、高温、高频、抗辐射的微电子领域,以及短波长光电子领域,有明显优于硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等第一代和第二代半导体材料的性能。第三代半导体材料正在抢占下一代信息技术、节能减排技术及国防安全技术的战略制高点,是战略性新兴产业的重要组成部分。本篇着重讲述碳化硅的性能特点和应用领域。

一、碳化硅材料性能优势突出

硅因其自然界储量大,制备相对简单等优点,成为了目前制造半导体芯片和器件最为主要的原材料,目前 90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。然而受材料本身特性的限制,硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。第三代半导体材料中的碳化硅(SiC)有望部分替代硅,成为制备高压及高频器件新的衬底材料。而其他领域仍将以硅为主流,短期内不会被替代。

碳化硅(SiC)为第三代半导体材料,在大自然中以莫桑石(moissanite)这种稀罕的矿物的形式存在,与其它第三代半导体材料相比,其发展历史相对“悠久”一些。碳化硅有超过200多种多型结构,最普通的是立方3C,六角4H和6H等。

碳化硅和传统硅材料主要的区别在禁带宽度上。禁带宽度是判断一种半导体材料击穿电压高低的重要指标,禁带宽度数值越大,则该种材料制成器件的耐高压能力越强。以碳化硅为代表的第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度,因此也被称为宽禁带半导体材料(大于 2.3eV)。于氮化镓在材料制备环节仍有技术难度,当前具备大规模量产条件的可用于制备功率器件的第三代半导体材料仅有碳化硅。4H 型碳硅的禁带宽度为 3.2eV,是硅材料禁带宽度 1.1eV 的约 3倍,这使得其击穿电场强度达到了硅的约 7 倍,非常适合用来制备功率器件。

表一:常见半导体材料衬底性能对比

除了更耐高压,碳化硅基功率器件在开关频率散热能力和损耗等指标上也远好于硅基器件。除了禁带宽度更宽,碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗,碳化硅器件相比于硅基器件的优势体现在:

1、阻抗更低,可以缩小产品体积,提高转换效率;

2、频率更高,碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍,而且效率不随着频率的升高而降低,可以降低能量损耗;

3、能在更高的温度下运行,同时冷却系统可以做的更简单。碳化硅功率器件工作温度可达600℃以上,是同等硅器件的4倍,可以承受更加极端的工作环境。

碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小,能量密度越来越大,这也是为什么几乎全球的半导体巨头都在不断研发碳化硅器件的原因。根据ROHM的数据,一款5kW的LLC DC/DC转换器,其电源控制板由碳化硅替代硅基器件后,重量从 7kg减少到0.9kg,体积从8755cc降低到1350cc。碳化硅器件尺寸仅为同规格硅器件的1/10,碳化硅MOSFET系统能量损失小于硅基IGBT的1/4,这些优势也能够为终端产品带来显著的性能提升。根据CREE的数据,相同的电池下搭载了碳化硅MOSFET的电动车比使用硅基IGBT的电动车续航里程增加了5%~10%。

图一:同规格碳化硅器件性能优于硅器件

图二:碳化硅器件优势总结

二、应用领域广阔,替代空间巨大

碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类,分别外延沉积碳化硅和氮化镓后,用于功率器件和射频器件的制作。

1、导电型衬底:具有低电阻率(15~30mΩ·cm)的碳化硅衬底。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层,制得碳化硅同质外延片,可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。

2、半绝缘型衬底:具有高电阻率(≥105Ω·cm)的碳化硅衬底。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成微波射频器件。

图三:碳化硅器件产业链

优异的性能使得碳化硅材料应用领域广阔,目前主流的器件种类为功率器件(碳化硅基碳化硅)和射频器件(碳化硅基氮化镓),可以说需要高压和高频器件的应用场景,都是碳化硅潜在替代的市场。尤其是对电力转换需求频繁、使用条件苛刻及对模块体积和重量等有要求的场景,碳化硅器件优势明显:

1、 功率器件(电力电子领域)

一是电动车逆变器及充电桩。电动车逆变器是碳化硅功率器件最为主要的市场,在相同功率下,碳化硅模块封装尺寸更小,损耗更低。在动力电池性能提升已经有限的情况下,碳化硅功率器件将成为提升电动车延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段。

国内外知名车企也在积极推动碳化硅器件的应用。特斯拉是全球第一家将碳化硅MOSFET应用于商用车主逆变器的厂商,Model 3的主逆变器采用了意法半导体生产的24个碳化硅MOSFET功率模块。随后国内厂商比亚迪也迅速跟进,在汉EV上搭载了自主研发的碳化硅功率模块。未来随着碳化硅材料成本的不断下降,未来将有更多车型使用碳化硅器件。碳化硅器件也可应用于新能源汽车充电桩,可以减小充电桩体积,提高充电速度。

二是光伏逆变器。光伏发电系统中,硅基逆变器成本占系统的10%,但却是系统能量损耗的主要来源。使用碳化硅MOSFET功率模块的光伏逆变器,转换效率可从96%提升至99%以上,能量损耗降低50%以上,设备循环寿命提升50倍,从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。

三是轨道交通。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件,其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备,碳化硅器件的应用可以提高牵引变流器装置效率,提升系统整体效能。2014 年,日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器,开关损耗降低55%、体积和重量减少65%,电能损耗降低20%至36%。

图四:碳化硅器件产业链

图五:碳化硅器件产业链

碳化硅使功率器件突破了传统硅基器件性能的上限,未来具备广阔的市场空间。根据Yole报告,2019年全球碳化硅功率器件市场规模为5.41亿美元,预计2025年将增长至25.62亿美元,年化复合增速约30%。

图六:碳化硅器件市场增长情况

2、射频器件(军工及通讯领域)

射频器件是无线通信的核心部件,包括射频开关、LNA、功率放大器和滤波器等。其中功率放大器是对信号进行放大的器件,直接影响着基站信号传输距离及信号质量。硅基LDMOS器件已经应用多年,但主要应用于4GHz以下的低频领域。

5G通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求,碳化硅基氮化镓具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势,成为5G移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射频器件,有望替代硅基LDMOS。根据Yole的预测,2025年功率在3W以上的射频器件中,砷化镓器件市场份额保持不变,碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基LDMOS,占市场50%左右的份额。

图七:不同射频器件应用范围与市场份额对比

根据Yole的报告,预计全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长,预计从 2019年的7.4亿美元增长至2025年的20亿美元,年化复合增速达18%。半绝缘型碳化硅衬底需求有望受益。

三、市场中的主要竞争对手

碳化硅器件的产业链主要由上游衬底材料及外延、中游器件制造和下游应用,以及各环节所用设备构成。目前产业的参与者主要以两类海外厂商为主:

1、国外竞争对手

传统功率半导体龙头:英飞凌(欧洲)、意法半导体(欧洲)、三菱电机(日本)、安森美(美国)、瑞萨电子(日本)、罗姆(日本)等。这些公司凭借着在硅基功率器件制造中积累的经验,提前布局碳化硅器件的制造。目前这些厂商是碳化硅功率器件制造的主力。

具备光电子和光通信材料技术的公司:CREE(科锐,美国)、道康宁(美国)、II-VI(贰陆公司,美国)、昭和电工(日本)等。化合物半导体材料在光电子和光通信领域有着广泛的应用,这些公司依靠着在材料领域积累的优势,从材料端切入了碳化硅产业链,并基本实现从衬底到外延的连续布局。

其中,科锐和罗姆两家厂商已经具备了从材料端到器件生产端的全流程覆盖,具备产业链中最强的实力。其他厂商大多专注于其中的1~2个环节。

2、国内竞争对手

近年来,国内厂商追赶进度明显,产业链布局完善,各个环节也都出现了大量的国内参与者:

衬底环节:天科合达、山东天岳和同光晶体等,已经实现4-6英寸衬底商业化,逐步向8英寸发展;

外延环节:瀚天天成、东莞天域等;

器件环节:泰科天润、华润微、基本半导体等。

其中三安集成、世纪金光等也成功实现了产业链贯通,进行了全流程布局。

图八:各环节主要参与者


半导体工艺与设备 1、半导体工艺研究、梳理和探讨。 2、半导体设备应用、研发和进展。 3、建华高科半导体设备推广,包括:曝光机、探针台、匀胶机和切片机。 4、四十五所半导体设备推广,包括:湿化学设备、先进封装设备、电子元器件生产设备等。
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