第三代半导体SiC 外延、器件与应用研究

1. 第三代半导体碳化硅器件的应用

碳化硅（SiC）是一种优异性能的宽禁带半导体，不但具有禁带宽、热导率高、临界电场高、饱和电子漂移速率高，而且还具有极好的物理及化学稳定性、极强的抗辐照能力和机械强度等，可用于研制高温大功率电力电子器件和严酷环境下的抗辐照传感器。

图1  碳化硅功率器件的应用及其优异性能

以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体大功率器件是目前在电力电子领域发展快的新型半导体功率器件。碳化硅器件在高压直流输电，以及绿色能源，机车牵引高铁，新能源汽车方面有很好的应用潜力。应用于高压直流输电领域，具有高效节能的特点。在绿色能源方面，碳化硅本身的可靠性和稳定性比较好，适合在苛刻的环境里面使用。在机车牵引领域，用碳化硅MOSFET取代硅IGBT，可提高工作频率。碳化硅也非常适合应用于电动汽车以及混动汽车，因为用它做出来的PCU的体积小，效率高，可提高电动汽车的能量利用效率。

2. 第三代半导体碳化硅材料与器件的发展

图2 碳化硅材料与器件的发展

碳化硅材料的发展是非常迅速的，从1990年开始，2英寸的碳化硅出现之后，到2015年8英寸的碳化硅也已经出现了，但是8英寸的碳化硅材料质量还不够成熟，现在成熟的是4英寸和6英寸的。现在量产的情况是4英寸晶片在往6英寸转，有一些国外的企业已经大规模使用6英寸碳化硅了，目前国内有很多6英寸硅的生产厂，把硅的设备改成碳化硅的设备，再添加一些碳化硅专用设备，就可以进行6英寸碳化硅的流片。

实际上，碳化硅跟硅的产业链比较相近，碳化硅晶片的制备是在2200度以上的温度下，把硅粉和碳粉混合升华，在籽晶上进行冷凝，形成晶碇，这个晶锭比较薄，大概是3-4厘米。对这个晶锭进行切磨抛之后，可以形成碳化硅晶片。另外还需要在碳化硅晶片上长一层外延，这层外延的作用就是耐高压。器件研制就是在外延片上进行光刻、扩散、刻蚀、注入、沉积等一系列工艺的整合。碳化硅的电力电子器件跟Si的电力电子器件相比能耐更高的电压。对于碳化硅，二级管也可以做到一万伏以上，但是会出现一些问题，比如说在边角的地方，电场集中的地方容易造成击穿。为了避免这种情况，我们把它做成PIN的器件，这样可以有效减缓在边角地方造成的击穿。但是做成PIN器件也有不好的地方，因为碳化硅本身的本征载流子浓度非常低，如果想让它把这个PIN导通的话，需要三伏以上的电压才能导通。硅就不用那么高，只需要0.7伏到0.9伏电压就可以把PIN器件导通。为了器件性能优化，我们把PIN和肖特基二极管结合起来，这个器件称之为JBS器件，它是把PIN的区域分开，分成一个一个的小区域。现在高的JBS器件可以达到一万伏以上的电压。

3. 第三代半导体碳化硅器件的历史与展望

图3 碳化硅功率器件的发展历史

下面简单介绍一下单极型器件和双极型器件。在2001年的时候，碳化硅二极管进行产业化，由于早期可靠性问题，它的作用没有那么明显，没有引起市场上的重视。到2011年，碳化硅MOSFET的出现引起了市场的高潮，后面很多厂商加入进来做碳化硅的生产，包括国家电网和中车也加入进来。我们研发出了碳化硅IGBT器件，目前的反向电压可以达到一万伏。另外一方面就是它正向的导通电流可以达到50安培每平方厘米，非常适合于一万伏以上的电力系统的应用。目前万伏碳化硅IGBT器件的产业化还需要碳化硅材料和高压器件的进一步发展。

经历几十年的漫长发展，宽禁带半导体SiC终于迎来了春天，进入飞速发展时期，在不久的将来有望在电力电子领域实现广泛应用。随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得SiC器件制备能够在目前现有6英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进SiC器件和模块的普及。目前SiC基二极管已经初步展示了其损耗低、频率高和耐高温等优越性。随着SiC基MOSFET和IGBT器件的日益成熟，全SiC模块有望在绿色能源逆变器和电动汽车功率模块上率先应用。在1000V以上的中高压领域，SiC材料和器件将会逐步展现其优越特性，弥补Si材料在该领域的不足。展望未来，SiC材料与电力电子器件的发展和应用将成为电力电子发展的一个重要里程碑！