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第三代半導體材料之碳化矽
點擊次數:97 發布時間:2020-11-10

  碳化矽SiC是一種由矽﹙Si﹚與碳﹙C﹚以共價鍵為主結合而成的化合物,其基本單元為Si-C四麵體,其中Si原子位於中心,周圍為C原子。SiC所有的結構均由Si-C四麵體以不同的堆積方式構成。目前已發現的碳化矽同質異型晶體結構有200多種,其中六方結構的4HSiC4H-SiC)具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率的優勢,是製造高壓、向日葵视频app黄、抗輻照功率半導體器件的優良半導體材料,也是目前綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟第三代半導體材料,它具有:(1)臨界擊穿電場強度是矽材料近10倍;(2)熱導率高,超過矽材料的3倍;(3)飽和電子漂移速度高,是矽材料的2倍;(4)抗輻照和化學穩定性好;(5)與矽材料一樣,可以直接采用熱氧化工藝在表麵生長二氧化矽絕緣層。純SiC是無色的,工業用碳化矽由於含有鐵質等,因而呈現棕色至黑色,晶體上彩虹般光澤則是由於表麵產生的二氧化矽鈍化層所導致。

  功率半導體發展經曆了以下的發展曆程,以鍺、矽等單晶體材料為代表的XX代半導體材料,以砷化镓、磷化銦等化合物為代表的第二代半導體材料,以碳化矽、氮化镓為代表的第三代半導體材料。

 

1 半導體材料的發展曆程

  近年來,隨著半導體技術的飛速發展,傳統Si基器件性能在低能耗、高能效以及小型化等方麵已經逼近理論極限。相比於Si基半導體材料,SiC能夠實現低能耗、高功效與小型化等目標而備受關注。Sic MOSFET因其具有導通電阻低、熱穩定性好、開關速度快、阻斷電壓高等優點,成為目前發展最迅速的功率半導體器件之一。

2 英飛淩生產用於Tesla逆變器裏的SiC的器件(24SiC MOSFET模塊)

碳化矽產業的發展現狀

  自二十世紀九十年代以來,美日歐等國相繼投入了大量的資金和人力對碳化矽材料和器件進行了深入研究,在器件的性能提升和體積縮小方麵取得了重大突破,在這方麵,國內也投入了大量的資金和技術,到如今也取得了不錯的成績。例如襯底環節,國際上已經做到8寸的襯底,國內也能做到6寸,8英寸也在研發中,向日葵视频app色版下载和國際先進水平的差距也逐漸縮小。

碳化矽生產工藝

  碳化矽功率半導體產業鏈主要包含單晶材料、外延材料、器件、模塊和應用這幾個環節。其中,單晶材料是碳化矽功率半導體技術和產業的基礎,外延材料是實現器件製造的關鍵,器件是整個產業鏈的核心,模塊是實現器件應用的橋梁,應用是碳化矽功率半導體器件和產業發展的源動力。

SiC單晶體的生長方法

1、物理氣相傳輸法(PVTPhysical vapor transport

  高純sic粉料置於石墨坩堝的底部作為生長源,籽晶固定在石墨坩堝的頂部,在超過2000℃的向日葵视频app黄下將碳化矽多晶粉體加熱分解成為Si原子、Si2C分子和SiC2分子等氣相物質,在溫度梯度的驅動下,這些氣相物質將被輸運到溫度較低的碳化矽籽晶上形成特定的碳化矽晶體。通過控製PVT的溫度場、氣流等工藝參數可以結晶形成SiC晶體。碳化矽單晶材料主要有導通型襯底和半絕緣襯底兩種。高質量、大尺寸的碳化矽單晶材料是碳化矽技術發展首要解決的問題,持續增大晶圓尺寸、降低缺陷密度(微管、位錯、層錯等)是其重點發展方向。

 

 3 PVT設備

2、向日葵视频app入口化學氣相沉積法(HTCVDHigh Temperature Chemical Vapor Deposition

  在密閉反應器中,保持合適的反應溫度(2000-2300℃)和壓力(40kPa),反應爐內通入由H2或者He載帶的SiH4C2H4。反應氣體在向日葵视频app视频污版在线下载官网下分解生成碳化矽並附著在襯底材料表麵,並沿著材料表麵不斷生長。通過控製反應容積的大小、反應溫度、壓力和氣體組分等條件,得到最佳工藝條件

爐內主要發生的反應:2SiH4+C2H4=2SiC+6H2

              圖4 HTCVD示意圖

SiC外延材料

  與傳統矽功率器件製作工藝不同的是,碳化矽功率器件必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料,並在外延層上製造各類器件。主要的外延技術是化學氣相沉積(CVD),通過台階流的生長來實現一定厚度和摻雜的碳化矽外延材料。產業化方麵,我國20μm及以下的碳化矽外延材料產品水平接近國際先進水平;在研發方麵,我國開發了100μm的厚外延材料,在厚外延材料缺陷控製等方麵距離國際先進水平有一定的差距。

碳化矽功率器件

  碳化矽功率半導體器件主要有結勢壘肖特基功率二極管(JBS)、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管(MPS);金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關斷晶閘管(GTO)等。

碳化矽功率模塊

  為了進一步提升碳化矽功率器件的電流容量,通常采用模塊封裝的方法把多個芯片進行並聯集成封裝。碳化矽功率模塊首先是從由矽IGBT芯片和SiC JBS二極管芯片組成的混合功率模塊產品發展起來的。基於我國成熟的矽基功率模塊的封裝技術和產業,我國碳化矽功率模塊的產業化水平緊跟國際先進水平。

 

5碳化矽半導體產業鏈簡圖

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