碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料中的代表性材料，是一種具有1X1共價(jià)鍵的硅和碳化合物。據說(shuō)，碳化硅最早是人們在太陽(yáng)系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現的，所以又被稱(chēng)為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導體材料”。
早在2014年的時(shí)候，科技日報就曾發(fā)過(guò)一篇名為《農業(yè)“棄兒”可成“工業(yè)寵兒”碳化硅》的報道，如果用《甄嬛傳》里甄嬛的晉升地位來(lái)說(shuō)，那時(shí)候的碳化硅或許還是楚楚動(dòng)人的“莞貴人”。然而近些年，趁著(zhù)5G、新能源汽車(chē)、充電設施、軌道交通等風(fēng)口產(chǎn)業(yè)，碳化硅顯然已經(jīng)晉升成為“熹貴妃”。2019年的時(shí)候，圈內就流行著(zhù)這么一句話(huà)：“得碳化硅者得天下”。火爆程度可見(jiàn)一斑。

一、火箭般的“晉升”速度源于此

與傳統的硅材料相比，碳化硅具有大禁帶寬度、高臨界擊穿場(chǎng)強、高熱導率三個(gè)最顯著(zhù)特征。具體來(lái)看，禁帶寬度方面，4H型碳化硅是硅的3 倍，因此能夠在更高溫（如汽車(chē)電子）下穩定工作；臨界擊穿場(chǎng)強方面，碳化硅可以達到硅的 10 倍，能在更高雜質(zhì)濃度、更薄漂移層厚度的情況下制作出高耐壓功率器件，從而同時(shí)實(shí)現“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”三個(gè)特性；導熱系數方面，碳化硅可以達到硅的3倍，能夠提高熱傳導能力，而高導熱率也有利于電子元器件向更小型化發(fā)展。

基于上述特性，碳化硅器件相比于硅基器件優(yōu)勢也更加明顯，具體體現在：
（1）阻抗更低，可以縮小產(chǎn)品體積，提高轉換效率；（2）頻率更高，碳化硅器件的工作頻率可達硅基器件的10倍，而且效率不隨著(zhù)頻率的升高而降低，可以降低能量損耗；（3）能在更高的溫度下運行，同時(shí)冷卻系統可以做的更簡(jiǎn)單。碳化硅功率器件工作溫度可達600℃以上，是同等硅基器件的4倍，可以承受更加極端的工作環(huán)境。

據了解，碳化硅晶片經(jīng)外延生長(cháng)后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件，可廣泛應用于新能源汽車(chē)、5G通訊、光伏發(fā)電、軌道交通等現代工業(yè)領(lǐng)域。

1、功率器件

由于具備上述的幾種特性，碳化硅被認為是一種超越硅極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比硅基器件更好的表現，因此碳化硅功率器件被廣泛應用于光伏逆變器、軌道交通以及新能源汽車(chē)中的主驅逆變器、DC/DC轉換器、充電系統中的車(chē)載充電機和充電樁等。

其中，在新能源汽車(chē)方面，已有特斯拉、比亞迪、吉利、零跑汽車(chē)等多家車(chē)企決定采用或明確表示要采用SiC。據 IHS Markit 數據，受新能源汽車(chē)龐大需求的驅動(dòng)以及電力設備等領(lǐng)域的帶動(dòng)，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規模將超過(guò)100億美元，碳化硅襯底的市場(chǎng)需求也將大幅增長(cháng)。

在龐大市場(chǎng)需求的吸引下，英飛凌、意法半導體、Rohm等功率半導體主要供應商紛紛布局碳化硅功率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的碳化硅功率器件應用也在不斷落地。

2、射頻器件

射頻器件是無(wú)線(xiàn)通信的核心部件，包括射頻開(kāi)關(guān)、LNA、功率放大器和濾波器等。目前，硅基LDMOS器件已經(jīng)應用多年，主要應用于4GHz以下的低頻領(lǐng)域。隨著(zhù)5G通訊技術(shù)的普及，對功率放大器性能提出要求也變得更高。

以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，能夠滿(mǎn)足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求。目前，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器，尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線(xiàn)。

據Yole Development預測，到2025年，射頻功率放大器市場(chǎng)規模將增長(cháng)至104億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率也將持續提高。隨著(zhù)5G市場(chǎng)對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長(cháng)，碳化硅晶片的需求量也將大幅增長(cháng)。

二、優(yōu)勢之下的技術(shù)壁壘

雖然碳化硅頗具優(yōu)勢，但其較高的技術(shù)難度以及隨之而來(lái)的高成本讓它難以像硅基器件那樣普及。眾所周知，碳化硅與硅基器件的原理相似，但碳化硅無(wú)論是材料還是器件的制造難度，都明顯高于傳統硅基。其中大部分的難度都是碳化硅材料高熔點(diǎn)和高硬度所需特殊工藝帶來(lái)的。

1、襯底制備

   碳化硅器件的生產(chǎn)環(huán)節主要包括襯底制備、外延和器件制造封測三大步驟。而襯底制備不僅是各步驟中難度和價(jià)值量更高的環(huán)節，也是成本最貴的環(huán)節。目前，襯底成本大約是加工晶片的50%，外延片是25%，器件晶圓生產(chǎn)環(huán)節20%，封裝測試環(huán)節5%。

由于晶體生長(cháng)速率慢、制備技術(shù)難度較大，大尺寸、高品質(zhì)碳化硅襯底生產(chǎn)成本依舊較高，所以即使碳化硅襯底在1990年代的時(shí)候就已經(jīng)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，但較低的供應量和較高的價(jià)格依舊成為制約碳化硅基器件大規模應用的主要因素，限制了產(chǎn)品在下游行業(yè)的應用和推廣。

與傳統的單晶硅使用提拉法制備不同，碳化硅材料因為一般條件下無(wú)法液相生長(cháng)，只能使用氣相生長(cháng)的方法，如物理氣相傳輸法（PVT）。這也就帶來(lái)了碳化硅晶體制備的兩個(gè)難點(diǎn)：

（1）生長(cháng)條件苛刻，對溫度和壓力的控制要求高。一般而言，碳化硅氣相生長(cháng)溫度在2000℃-2500℃之間，壓力350MPa，而硅僅需1600℃左右。高溫對設備和工藝控制帶來(lái)了極高的要求，溫度和壓力控制稍有失誤，就會(huì )導致生長(cháng)數天的產(chǎn)品失敗。

（2）長(cháng)晶速度慢。PVT法生長(cháng)碳化硅的速度緩慢，7天才能生長(cháng)2厘米左右，而生產(chǎn)1至2米的8英寸硅晶棒僅需要2天半左右，6英寸硅晶棒則只需要約1天。同時(shí)碳化硅材料本身的特性也讓提高了晶體生長(cháng)難度。具體來(lái)看：

（3）晶型要求高、良率低。碳化硅有超過(guò)200種相似的晶型，需要的材料配比、熱場(chǎng)控制和經(jīng)驗積累，才能在高溫下制備出無(wú)缺陷、皆為4H晶型的可用碳化硅襯底（其他晶型不可用）。

（4）切割磨損高。碳化硅是硬度僅次于金剛石的材料，莫氏硬度分布在 9.2～9.6，在對其進(jìn)行切割時(shí)，加工難度較高且磨損多。

2、外延

與傳統的硅基器件不同，碳化硅襯底的質(zhì)量和表面特性不能滿(mǎn)足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高壓高頻器件時(shí)，不能直接在碳化硅襯底上制作器件，而必須在單晶襯底上額外沉積一層高質(zhì)量的外延材料，并在外延層上制造各類(lèi)器件。

當前，碳化硅采用的是同質(zhì)外延生長(cháng)技術(shù)，設備與生長(cháng)技術(shù)已比較成熟，可生長(cháng)出超過(guò)100~200μm的碳化硅外延材料，但在外延生長(cháng)中受到襯底的質(zhì)量和加工水平的影響，會(huì )產(chǎn)生缺陷。

目前，碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和摻雜濃度兩個(gè)參數。器件依據不同的設計，所需的外延參數也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高，但外延層厚度越大，高質(zhì)量外延片的制備就越困難，尤其是在高壓領(lǐng)域，對缺陷的控制十分困難。

3、器件的制造與封測

由于碳化硅器件的部分工藝需要在高溫下完成，這給器件的制造和封測帶來(lái)了較大的難度。比如，在摻雜步驟中，傳統硅基材料可以用擴散的方式完成摻雜，但由于碳化硅擴散溫度遠高于硅，所以只能采用高溫離子注入的方式。而高溫離子注入后，碳化硅材料原本的晶格結構被破壞，需要用高溫退火工藝進(jìn)行修復，退火溫度又需要高達1600℃。這無(wú)疑對設備和工藝控制都帶來(lái)了極大的挑戰。

基于上述的技術(shù)難點(diǎn)，當前碳化硅的成本依舊較高，功率器件成本遠高于硅基功率器件。此外，碳化硅二極管和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在3~5倍，SiC MOSFET和硅基產(chǎn)品價(jià)格差在~5倍。

二、技術(shù)突破一直在路上

從目前發(fā)展趨勢來(lái)看，未來(lái)碳化硅將會(huì )被越來(lái)越多地用于純電動(dòng)汽車(chē)和光伏發(fā)電系統的逆變器等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。在此背景下，如何突破技術(shù)壁壘，更好得發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢成為了技術(shù)人員亟需解決的難題。

今年以來(lái)，作為碳化硅材料大國美國、日本接連研發(fā)了無(wú)損測量碳化硅器件中載流子壽命、表面納米控制技術(shù)、全新銀燒結技術(shù)等多項新技術(shù)，旨在解決碳化硅材料生產(chǎn)中的難題，提高碳化硅器件性能。

1、無(wú)損測量碳化硅器件中載流子壽命，提高器件性能

今年年初，日本名古屋工業(yè)大學(xué)研究小組提出了一種無(wú)損測量碳化硅器件中載流子壽命的方法。研究人員使用激發(fā)激光器來(lái)創(chuàng )建載流子，并使用帶有檢測器的探針激光器來(lái)測量激發(fā)載流子的壽命。

通過(guò)這種可以進(jìn)行更簡(jiǎn)單、非侵入性分析的技術(shù)，工程師們可以開(kāi)始對載流子壽命進(jìn)行微調，以達到傳導調制和低開(kāi)關(guān)損耗的完美平衡。未來(lái)。這項技術(shù)有望帶來(lái)新一代更新、更高性能的碳化硅器件。

2、表面納米控制技術(shù)，消除碳化硅襯底缺陷

今年3月，日本豐田通商株式會(huì )社宣布，他們聯(lián)合日本關(guān)西學(xué)院采用一種表面納米控制工藝技術(shù)——Dynamic AGE-ing，可以消除碳化硅襯底的缺陷，并完成了 6 英寸碳化硅襯底的性能驗證。

據介紹，Dynamic AGE-ing是一種將熱蝕刻和晶體生長(cháng)集成在一起的非接觸式納米控制工藝技術(shù)，通過(guò)將SiC襯底置于1600℃至2100℃的超高溫氣相環(huán)境中，該技術(shù)就可以自動(dòng)將原子排列在表面上，從而就能夠徹底去除加工應變層，而零缺陷主要是通過(guò)阻止BPD來(lái)實(shí)現的。

通過(guò)使用“Dynamic AGE-ing ”技術(shù)，可以提高任何尺寸、任意供應商的碳化硅襯底質(zhì)量。此外，通過(guò)簡(jiǎn)化襯底制造工藝和提高產(chǎn)量，可以提高 SiC 襯底的生產(chǎn)率。

3、全新銀燒結技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，提高封裝可靠性

今年5月，東芝通過(guò)一種全新的銀（Ag）燒結技術(shù)進(jìn)行芯片焊接，使碳化硅功率模塊的可靠性提高一倍，并減少20%的功耗。東芝將此新技術(shù)命名為iXPLV。

4、實(shí)現碳化硅晶圓高速整平開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)

今年8月，日本產(chǎn)業(yè)研究所表示，他們團隊可以實(shí)現碳化硅晶圓的高速整平開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)。特別是在低速的鏡面加工中，獲得了比以前快12倍的拋光速度。按照他們所說(shuō)，其建立了一種新的批量式加工技術(shù)，可與片式加工方法的鏡面磨削工藝相媲美。

研究人員試圖通過(guò)生產(chǎn)一種固定磨粒平臺來(lái)解決這些問(wèn)題，其中將金剛石磨石成型為平臺，并將其與高速拋光設備相結合。當使用固定磨粒平臺時(shí)，確認平臺旋轉速度和拋光速度成比例，這比使用漿料的典型加工條件快約 12 倍，達到與傳統磨削相當的速度。

該團隊表示，擬將本次研發(fā)的拋光技術(shù)引入先進(jìn)電力電子研究中心的6英寸兼容SiC晶圓集成加工工藝，并應用于同一研究中心的功率器件開(kāi)發(fā)，促進(jìn)技術(shù)示范。

5、熱注入提升碳化硅芯片性能和電源效率

今年9月，應用材料公司宣布推出多項全新產(chǎn)品以幫助的碳化硅芯片制造商從150毫米晶圓量產(chǎn)轉向200毫米晶圓量產(chǎn)，其中包括了VIISta? 900 3D 熱離子注入系統。

據了解，這項熱注入技術(shù)在注入離子的同時(shí)，能夠將對晶格結構的破壞降到更低，產(chǎn)生的電阻率僅為室溫下注入的四十分之一，解決了在碳化硅芯片制造期間，由于材料的密度和硬度的影響，離子注入在材料內加入摻雜劑會(huì )破壞晶格同時(shí)降低性能和電源效率的難題。

6、Mirra? Durum? CMP* 系統，降低晶圓表面粗糙度

除了上述系統外，應用材料公司還開(kāi)發(fā)了 Mirra? Durum? CMP* 系統，此系統將拋光、材料去除測量、清洗和干燥整合到同一個(gè)系統內，可以量產(chǎn)具有更高質(zhì)量表面的均勻晶圓。這一新系統生產(chǎn)的成品晶圓表面粗糙度僅為機械減薄SiC 晶圓的五十分之一，是批式 CMP工藝系統的粗糙度的三分之一。

7、冷切割技術(shù)，節省碳化硅晶圓材料

近日，英飛凌表示，其用于生產(chǎn)碳化硅晶片的“冷裂”技術(shù)已獲得生產(chǎn)資格。

2018 年 11 月，英飛凌曾以 1.24 億歐元（約合 1.4 億美元）收購了Siltectra GmbH，后者開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為冷裂的創(chuàng )新工藝，用于芯片加工，以更有效地節省材料和加工晶體。當時(shí)的英飛凌首席執行官Reinhard Ploss博士表示：“得益于冷切割技術(shù)，SiC晶圓可產(chǎn)出芯片數量的增加讓SiC產(chǎn)品的產(chǎn)能爬坡升級變得更加容易，能更好地滿(mǎn)足可再生能源的進(jìn)一步增加的需求，以及SiC在電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統中的使用需求。”

據悉，英飛凌的冷切割技術(shù)與傳統鋸切工藝相比，原材料損失將減少了一半，從而提供了競爭優(yōu)勢。此外，英飛凌還希望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)冷分裂技術(shù)，并用它來(lái)分裂加工過(guò)的晶圓，并從晶圓上剝離 100 微米的有源器件層。

8、利用AI高精度制造碳化硅結晶，降低缺陷數量

今年11月，日本名古屋大學(xué)的宇治原徹教授等人開(kāi)發(fā)出了利用人工智能（AI）高精度制造新一代半導體使用的碳化硅結晶的方法。這種方法能將結晶缺陷數量降至原來(lái)百分之一，提高了半導體生產(chǎn)的成品率。2021年6月成立的初創(chuàng )企業(yè)計劃2022年銷(xiāo)售樣品，2025年實(shí)現量產(chǎn)。

據介紹，研究團隊利用AI優(yōu)化了多個(gè)項目。宇治原教授表示「讓AI學(xué)習模擬（模擬實(shí)驗）結果，導出了更佳條件」。經(jīng)過(guò)4年的開(kāi)發(fā)，可以制造能產(chǎn)業(yè)利用的約15厘米的尺寸了。 試制的SiC結晶比現有結晶的缺陷數量大幅減少。

寫(xiě)在最后

其實(shí)，從碳化硅晶圓尺寸的變化就可以看出技術(shù)一直在進(jìn)步。此前，碳化硅晶圓的主流尺寸一直為4英寸和6英寸，隨著(zhù)今年意法半導體制造出首批200mm（8英寸）碳化硅晶圓，未來(lái)也會(huì )向著(zhù)300mm(12英寸)進(jìn)發(fā)。

在全球研究人員的努力下，將會(huì )有越來(lái)越多的新技術(shù)可以打破碳化硅材料帶來(lái)的技術(shù)壁壘。屆時(shí)碳化硅能否成為一統各大分立器件的“圣母皇太后”，我們拭目以待。

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