报告主题：一文搞懂SiC功率器件的市场、应用和制造

报告作者：Dr.VictorVeliadis

DeputyExecutiveDirectorandCTO,PowerAmerica

ProfessorECENorthCarolinaStateUniversity,Raleigh,NCUSA

报告内容包含：（具体内容详见下方全部报告内容）

SiC/GaN性能科普

Si、SiC或GaN的选择应用差异

汽车电气化是宽禁带(WBG功率器件和电子装置的一大机遇

SiC功率器件的制造

SiC衬底的生长比Si更复杂

SiC外延技术成熟度相对较高

SiC晶圆占SiC器件成本的50-70%

高压(+V)SiC功率器件通常采用纵向配置

SiC器件的理想阻断电压由其漂移层的厚度和掺杂决定

电压和开关频率需求推动单极与双极SiC器件的选择

SiC制造需要投资特定的设备和开发特定的工艺

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报告详细内容

#各节点的半导体制造商数量

#功率器件是能够切换高电流和阻断高电压的大型分立晶体管

#GaN/SiC功率器件可实现更高效、更新颖的电力电子设备

（更低的电阻和相关的传导损耗；更高频率的操作、更小的器件尺寸）

#SiC/GaN器件可实现更高效、更轻、更小尺寸的电力电子设备

（可在高频和高温下运行，同时减少冷却）

#超宽带隙材料（Ga2O3、金刚石、AlN）可以进一步提高功率器件的性能

（超宽带隙材料（Ga2O3、金刚石、AlN）具有比GaN和SiC更大的带隙和击穿电场）

#Si、SiC或GaN的选择因应用而异，并受电压、电流、频率、效率、温度和成本考虑因素驱动

Si、GaN和SiC都在V范围内展开竞争：

?Si可靠、坚固、便宜且能够承受大电流

?GaN以合理的成本提供高效的高频操作

?SiC效率高，可在高电流和高频率下运行

#SiC/GaN器件在实现下一代电力电子增长方面具有独特优势

#宽禁带(WBG)电力电子是高价值制造产品的关键驱动力

（汽车、IT硬件、电网、电机驱动、航空航天部门等）

#汽车电气化是宽禁带(WBG功率器件和电子装置的一大机遇

（电机、DC/DC转换器、车载充电器、动力电池组、蓄电池辅助装置等）

#EV/HEV市场是SiC增长最强劲的贡献者

#WolfspeedSiCIGBT27kV，具有1μA的低漏电流和20A的直流电流输出

#变速驱动器可有效适应电机速度/扭矩并降低能耗

（传统电机驱动：20-40%的能量被节流阀和其他机械装置浪费）

#基于SiC的变速驱动器具有体积、重量和成本优势

基于Si的VSD可节省能源，但由于占用空间大、重量大和成本高，采用率有限

基于SiC的VSD使用新颖的架构来减少体积、重量和成本，采用率提升

#电力电子创新推动航空航天——飞机、卫星、无人机等

更高的燃油效率、更低的维护/运营成本、更高的可靠性、更低的噪音、更低的氮氧化物排放

#到年SiC器件预计收入：$3.2B/Yr

#SiC衬底的生长比Si更复杂

（与传统硅功率器件制作工艺不同的是，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件）

#碳化硅外延技术成熟度相对较高

#SiC晶圆占SiC器件成本的50-70%

#SiCMOSFET可以降低系统成本（和重量/体积），尽管它们的价格高于Si

#mmSiC生产晶圆可将器件成本降低20%

#大量半导体工厂可用于制造mm晶圆

#高压(+V)SiC功率器件通常采用纵向配置

横向器件具有系统集成优势，但需要大面积以实现高阻断电压能力；

纵向器件漂移层厚度可以针对高阻断电压进行定制，而不会增加相应的器件面积；

由于需要较大的漂移长度（定义为栅极到漏极的间距），具有高阻断电压能力的横向器件需要大面积；

对于表面稳定性，横向器件中高压和低压电极之间的充分分离会导致更高的单元间距和导通电阻Ron。

#SiC器件的理想阻断电压由其漂移层的厚度和掺杂决定

为了降低高压器件的低掺杂厚漂移区的导通电阻，双极电流通过载流子注入实现；

在SiC器件中实施边缘终止结构，以实现接近理论材料极限的击穿电压。

#电压和开关频率需求推动单极与双极SiC器件的选择

单极器件中的电流仅归因于一种类型的电荷载流子（电子或空穴）多数载流子

单极器件具有较高的传导损耗和较低的开关损耗

在传导过程中，只有一种类型的电荷载流子流动：更高的导通电阻

仅多数导通可实现快速开关：降低开关损耗

双极器件中的电流是由两种类型的电荷载流子、电子和空穴引起的

双极器件具有更低的传导损耗和更高的开关损耗

在导通过程中，来自集电极p+区的空穴被注入到n-区：累积的电荷降低了导通电阻

双极导通导致开关速度变慢，因为少数载流子在转换期间也需要被扫描：更高的开关损耗

通常在SiC中：单极器件至10kV，双极器件10kV

#SiC已经应用在多种器件中

单极器件：MOSFET、JFET、结势垒肖特基二极管

双极器件：BJT、晶闸管、IGBT、PiN二极管

#SiC-MOSFET有平面型与沟槽型，是电力电子应用的主力军

由于栅极氧化物的沟槽角处的电场拥挤，沟槽型MOSFET的阻断电压能力可能低于DMOSFET

#MOSFET特定导通电阻的组成部分

#SiC制造需要特定的设备和开发特定的工艺

多个成熟的Si工艺已成功转移到SiC。然而，碳化硅材料特性需要开发特定的工艺，其参数必须优化和合格：

蚀刻：碳化硅对化学溶剂是惰性的，只有干蚀刻是可行的。掩膜材料、掩膜蚀刻选择性、气体混合物、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等都需要开发。

用于降低电阻或厚外延处理的基板减薄（材料硬度需要特殊配方）。用于精细平面度控制的CMP。

掺杂：传统的热扩散在SiC中不实用，因为它具有高熔点和SiC内掺杂剂的低扩散常数。评估注入种类、剂量、能量、温度、掩膜材料等。注入后SiC再结晶和注入激活退火方法（熔炉、RTA等）、温度、升温速率、持续时间、气体流量等。选择退火保护层以最大限度地减少SiC晶片表面退化。CMP可用于使晶圆变平以减轻高温退火的影响。

金属化：评估CTE匹配的金属，选择抗蚀剂类型、金属蒸发和剥离、溅射金属沉积和干法蚀刻。

欧姆接触形成：SiC/金属阻挡层的高值导致整流接触。欧姆接触需要后金属沉积退火。优化退火温度、升温速率、持续时间、气体流量，保持表面质量。

栅极氧化物：不良的SiC/SiO2界面质量会降低MOS反型层迁移率。开发钝化技术以提高SiC/SiO2界面质量。

透明的晶圆使CD-SEM和计量测量变得复杂，因为焦平面是用光学显微镜来确定的。其他工具需要软件/增益/硬件调整，以适应SiC不透明的波长。需要SiC计量/检测工具。

SiC晶圆相对缺乏平整度会使光刻和其他加工变得复杂，特别是高压设备（厚漂移外延层）。高温工艺会进一步降低晶圆的平整度。CMP可以在制造的各个阶段使晶圆平整。

绝缘电介质：厚电介质沉积在SiC中。评估沉积的介电缺陷对边缘端接和器件可靠性的影响。

#SiC加工需要对附加设备进行适度的成本投资

（在完全折旧未充分利用的硅晶圆代工厂中加工SiC需要适度的成本投资，并提供剩余的晶圆产能以最大限度地提高代工厂的利用率。）

#蚀刻：反应性离子蚀刻（RIE）通常用于在SiC中形成台面结构和沟槽

#蚀刻：低光刻胶SiC选择性需要光刻图案化“硬掩模”用于SiC蚀刻

#蚀刻：使用Cr/Al掩模的RIE产生0.7μm深的SiC垂直侧壁沟槽用于植入

#欧姆接触：由于高肖特基势垒高度，SiC金属接触在沉积后不是欧姆接触

#欧姆接触：同时形成n型和p型的低电阻率硅化镍欧姆接触简化了制造

#注入：离子注入是实用的SiC选择性掺杂技术，然后在~℃的炉中退火

#注入：离子注入后的保护帽层1°C炉退火产生出色的SiC表面形貌

#注入：离子注入和随后的退火会产生降低设备性能的缺陷

离子注入工艺需要改进：

?开发可制造的高质量室温大剂量离子注入

?优化退火升温速率和整体注入工艺，以最大限度地减少缺陷的产生

?优化离子注入和退火，以尽量减少对晶圆平面度的影响

#栅极氧化物：SiC-SiO2界面质量差会降低沟道迁移率并导致阈值电压不稳定

电子通过SiC-SiO2界面处的窄势垒从导带隧穿到氧化物中，将这些电子俘获在栅极氧化物中会降低迁移率并导致阈值电压不稳定。

#栅极氧化物：SiCMOSFET中的阈值电压不稳定性是由氧化物陷阱引起的，并具有不良后果

#栅极氧化物：与Si一样，栅极热氧化过程涉及氮化物的退火

#材料缺陷的存在会降低SiC器件的性能和可靠性，并降低“大面积器件”的良率

#由于电场拥挤，SiC器件的击穿电压低于SiC材料极限

参考来源：

Dr.VictorVeliadis

DeputyExecutiveDirectorandCTO,PowerAmerica

ProfessorECENorthCarolinaStateUniversity,Raleigh,NCUSA

部分编译：芯TIP