第三代半導(dǎo)體---碳化硅

地球上幾乎所有的能源都能轉(zhuǎn)換成電力，而電能用于特定目的都需要功率調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換，目前主要調(diào)節(jié)功率的效率是由半導(dǎo)體器件性能所決定。

功率半導(dǎo)體主要用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)換和電路控制，是進(jìn)行電能處理的核心器件。包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，除了保證設(shè)備正常運(yùn)行，還能起到有效節(jié)能作用。

美國通用公司研制出世界上第一個(gè)工業(yè)用的普通晶閘管，也使硅Si走到人們面前。但是近年來，隨著技術(shù)生產(chǎn)的進(jìn)步，硅固有的材料特性在某些領(lǐng)域幾乎達(dá)到了理論極限，例如，高阻斷電壓600V以上功率器件的應(yīng)用難題，即使在今天技術(shù)都很成熟的情況下，都不容易突破，由此可見，研發(fā)替代硅的新材料迫在眉睫。

90年代，新出現(xiàn)的碳化硅SiC，氮化鎵GaN，引起了科學(xué)家的希望。

因?yàn)槌錾奈锢硇阅芎统墒斓墓に嚰夹g(shù)，還有與硅基材料加工工藝的極大的兼容性，讓碳化硅在同類寬禁帶半導(dǎo)體勝出。以最開始商用的4H-SiC肖特基二極管為例，其導(dǎo)通電阻比同類硅器件低兩個(gè)數(shù)量級。在同功率的等級下，碳化硅模塊體積明顯小于硅模塊。碳化硅已經(jīng)從生活中4C產(chǎn)業(yè)提升電能利用效率，到新能源車提高單次充電續(xù)航里程，還有光伏逆變器電能轉(zhuǎn)換率，甚至大功率領(lǐng)域的高壓直流輸電系統(tǒng)里處處可見了。

自然界的碳化硅，又叫金剛砂，存在于巖石中。作為晶體材料于1892年通過碳和二氧化硅在1950℃的高溫下放熱得到。后續(xù)經(jīng)美國工程師的不斷改良，才得到能用于晶體生長的高純碳化硅。直到現(xiàn)在逐步發(fā)展到了直徑為100-200mm的碳化硅晶體的生長。

目前，碳化硅還有很多瓶頸。比如，因?yàn)榧夹g(shù)的壟斷，造價(jià)非常高。其次封裝大電流、功率器件的散熱問題和生長中缺陷導(dǎo)致的可靠性問題有待進(jìn)一步突破。

碳化硅的主要生長方法：

碳化硅材料是個(gè)大家族，所有的成員從化學(xué)組成比例角度看，都是一樣的，50%的碳原子和50%的硅原子。隨著結(jié)構(gòu)之間的連接方式發(fā)生變化，就構(gòu)成了晶體結(jié)構(gòu)的多型。目前被確認(rèn)的碳化硅晶體有250多種。

1、 籽晶升華生長

基本原理是碳化硅粉料在高溫和低壓下升華產(chǎn)生的主要?dú)庀辔镔|(zhì)（Si，Si2C，SiC2），隨著溫度梯度的下降沉積在溫度稍低的籽晶上，并在其上結(jié)晶。

籽晶升華生長是目前業(yè)界廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)工藝，關(guān)鍵點(diǎn)是石墨坩堝的溫度分布設(shè)計(jì)及氣體濃度控制的精度。

2、 高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）

物理氣相傳輸技術(shù)在當(dāng)今的碳化硅襯底生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，該生長系統(tǒng)基于一個(gè)立式的反應(yīng)器，在反應(yīng)腔體內(nèi)把反應(yīng)的前體（如SiH4和C2H4）在載氣中稀釋，然后通過加熱區(qū)向上送入籽晶容器。

3、 鹵化物化學(xué)氣相沉積（HCVD）

鹵化物化學(xué)氣相沉積從經(jīng)典的化學(xué)氣相沉積發(fā)展而來，是在高溫下生成碳化硅的工藝，用于薄層和厚層的沉積，是純化學(xué)技術(shù)，但是后續(xù)未得到進(jìn)一步發(fā)展。

4、 改良版的物理氣相傳輸（M-PVT）

從技術(shù)上講，此技術(shù)的重要性在于提供了一種連續(xù)進(jìn)料摻雜的可能性，并且可以改善摻雜均勻性，但是該工藝尚未有進(jìn)一步發(fā)展。

5、 連續(xù)進(jìn)料物理氣相傳輸（CF-PVT）

連續(xù)進(jìn)料物理氣相傳輸?shù)膬?yōu)勢是結(jié)合了單晶生長的物理氣相傳輸和高溫化學(xué)氣相沉積的連續(xù)相，可以連續(xù)提供高純度多晶碳化硅源。可以實(shí)現(xiàn)特定的過飽和控制，這是生長幾毫米厚的大塊3C-SiC單晶的唯一工藝。

6、 頂部籽晶液相生長（TSSG）

頂部籽晶液相生長是一項(xiàng)晶體生長提拉技術(shù)與助溶劑生長方法的重大發(fā)展，該技術(shù)通常在高溫溶液中進(jìn)行碳化硅的生長，產(chǎn)生的錯(cuò)位密度低于其他方法，60多年前人們就嘗試使用這個(gè)方法，直到近期才有突破進(jìn)展，成功生長出了碳化硅單晶晶體。缺點(diǎn)是生長速率極慢，不適用于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

目前碳化硅的缺陷：

在過去20多年中，碳化硅晶體的質(zhì)量有了很大提高。但無論是單晶碳化硅襯底還是外延層的生長，仍然有各種缺陷。對碳化硅器件的性能和可靠性產(chǎn)生了不同程度的影響。在4H-SiC的單晶生長和外延生長中，其物理缺陷主要包括結(jié)構(gòu)缺陷和表面缺陷。結(jié)構(gòu)缺陷主要存在于外延層中，包括微管（MP），螺旋位錯(cuò)（TSD）和基矢面位錯(cuò)（BPD）；表面缺陷包括三角形凹坑、生長坑和胡蘿卜凹槽。碳化硅中的高密度缺陷主要是螺旋位錯(cuò)、基矢面位錯(cuò)、刃型位錯(cuò)（TED）和堆垛層錯(cuò)（SF）等。

其中，碳化硅晶體中的高密度缺陷主要以螺旋位錯(cuò)和基矢面位錯(cuò)對器件的影響最大，因此必須將其密度降低到一定水平，才能確保器件可靠運(yùn)行。

高溫退火工藝?yán)?/span>

重?fù)诫s氮的4H-SiC晶體在超過1273K溫度的高溫處理過程中會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。這種結(jié)構(gòu)變化歸因于4H到3C晶型的轉(zhuǎn)變，這是由高溫退火期間雙層Shockley型層錯(cuò)（DSSFs）的形成和擴(kuò)展引起的。近來，關(guān)于重?fù)诫s氮的4H-SiC晶體中形成DSSFs有了一系列新發(fā)現(xiàn)，比如在1423K的溫度下退火，整體電阻率呈各向異性的增長，當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高，達(dá)到2073K的溫度時(shí)，增加的電阻可以部分恢復(fù)，即部分下降。其中二極管的SSSFs通過低溫（483-873K）退火反而逆向生長，與在重?fù)诫s氮的材料中觀察到的結(jié)果相似，SSSFs的收縮也與電阻率的恢復(fù)有關(guān)。

碳化硅外延工藝：

對所有碳化硅電子器件的制造而言，必須首先在碳化硅襯底上進(jìn)行外延薄膜的生長，因?yàn)樵谝r底中無法進(jìn)行擴(kuò)散摻雜，且若在其中直接注入離子，會導(dǎo)致碳化硅的電氣質(zhì)量較差。由于同質(zhì)外延生長的碳化硅薄膜具有出色的電氣特性，目前幾乎所有的碳化硅高性能器件都使用這種外延薄膜制造。

碳化硅薄膜的的同質(zhì)外延生長可以通過各種方式實(shí)現(xiàn)，如氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、氣液固外延（VLS），后者是最近引入的外延制造方法，是VLS納米線和納米管生長的共同基礎(chǔ)。

引用：姚玉、洪華主編【第三代半導(dǎo)體技術(shù)與應(yīng)用】