碳化硅（SiC）缘何成为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年第⼀次在陨⽯中发现碳化硅
•1907年第⼀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年在波⼠顿召开第⼀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
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
SiC器件分类
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
SiC-MOSFET采⽤沟槽结构可最⼤限度地发挥SiC的特性
碳化硅MOS的优势高压mos管
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
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S
BD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，当器件的最⼤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，这样每个器件的最⼤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⼯业⽣产的晶⽚和最佳晶⽚的微管密度的进展
制造不同器件成品率为40%和90%的微管密度值
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。
第三代半导体产业发展介绍（附世界各国研究概况解析）
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
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。
九、主要应⽤领域的发展概况
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（见图）。
第3代半导体各应⽤领域⽰意图
第三代半导体材料
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最优选材料，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。
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