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1、SiC 同质外延行业动态 一、行业概述 半导体技术与人们的生活息息相关，它在提高人们生活水平的同时，深刻地影响了当代人的方方面面。作为半导体技术的一个重要分支，半导体材料对半导体技术的发展有着举足轻重的作用，它的每一次发展都会推动半导体器件和集成电路性能的较大进步。为了进一步提高半导体技术，我们需要坚持不懈地研究半导体材料。现在，使用半导体材料 Si、Ge 制造器件的技术比较成熟，应用的范围相当广泛。然而，随着电路系统工作环境的复杂化，我们对电子器件的性能要求也更加严格，硅材料已不能满足要求。所以第二代半导体材料 GaAs 等应运而生，在一定程度范围满足了现代技术应用的要求。在此之后，又研究出
2、第三代宽带隙（Eg）半导体材料。第三代半导体材料凭借其优越的综合性能脱颖而出，其中具有代表性的是 SiC 和 GaN。Si 器件作为当今世界的主流，日益表现出局限性，其带隙宽度较小，高温下不能正常工作，在高温、高频、大功率及强辐射条件下性能捉襟见肘。Si 器件的最高耐温只有 150，而 SiC 器件的耐温可达 600，而且热导率高，有利于器件良好地散热，使器件发挥更好的性能，由于散热良好，器件和集成电路的体积可以做的更小。SiC 器件和 Si 器件相比，耐压范围也更高，如图 所示。第三代半导体材料的性质见表，所以在耐腐蚀等环境下，有着巨大的应用价值。电力电子领域是 SiC 材料应用的典型领域。
3、图 Si 和 SiC 器件耐压值范围 在航空航天或军事领域，系统的工作条件极其恶劣。从 80 年代末起，SiC 材料与器件的飞速发展。由于 SiC 材料种类很多，性质各异，它的应用范围十分广泛。在大功率器件方面，利用 SiC 材料可以制作的器件，其电流特性、电压特性、和高频特性等具有比 Si 材料更好的性质。在高频器件方面，SiC 高频器件输出功率更高，且耐高温和耐辐射辐射特性更好，可用于通信电子系统等。在光电器件方面，利用 SiC 不影响红外辐射的性质，可将其用在紫外探测器上，在 350的温度检测红外背景下的紫外信号，功率利用率 80%左右。在耐辐射方面，一些 SiC 器件辐射环境恶劣的条件
4、下使用如核反应堆中应用。高温应用方面，利用 SiC 材料制备的器件工作温度相当地高，如 SiC MOSFET和 SiC 肖特基二极管可在 900k 下工作。从世界范围来看，高功率器件是最有可能实现的，应用潜力也最大，如图 所示。SiC 作为二元化合物半导体，属于族元素中唯一的固态化合物。它 Si-C 健的能量很稳定，这也是 SiC 在各种极端环境下仍能稳定的原因。SiC 的原子化学能高达 1250KJ/mol；德拜温度达到 1200-1430K，摩尔硬度达到 9 级，仅比金刚石摩尔硬度低些；导热性良好，达 5W/,比其他半导体材料好很多。SiC 有多种同质多型体，不同的同质多型体有不同的应用范
5、围。典型的有3C-SiC、4H-SiC 和 6H-SiC，它们各有不同的应用范围。其中，3C-SiC 是唯一具有闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，再加上有高热导率和高临界击穿电场，非常适合于制造高温大功率的高速器件；6H-SiC 具有宽的带隙，在高温电子、光电子和抗辐射电子等方面有使用价值，使用 6H-SiC 制造的高频大功率器件，工作温度高，功率密度有极大的提升；而 4H-SiC 具有比 6H-SiC 更宽的带隙和较高的电子迁移率，是大功率器件材料的最优选择。由于 SiC 器件在国防和民用领域不可替代的地位，世界上很多国家对 SiC 半导体材料和器件的研究都很重视。美国的国防宽禁带半
6、导体计划、欧洲的ESCAPEE 计划和日本的国家硬电子计划等，纷纷对 SiC 半导体材料晶体制备和外延及器件投入巨资进行研究。SiC 电子器件是微电子器件领域的研究热点之一。SiC 材料的击穿电场有4MV/cm，很适合于制造高压功率器件的有源层。而由于 SiC 衬底存在缺陷等原因，将它直接用于器件制造时，性能不好。SiC 衬底经过外延之后，其表面缺陷减少，晶格排列整齐，表面形貌良好，比衬底大为改观，此时将其用于制造器件可以提高器件的性能。为了提高击穿电压，厚的外延层、好的表面形貌和较低的掺杂浓度是必需的。一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过 50m,掺杂浓度小于 21015cm-3,载流子寿
7、命大过 1us。对于高反压大功率器件，需要要在 4H-SiC 衬底上外延一层很厚的、低掺杂浓度的外延层。为了制作 10KW 的大功率器件，外延层厚度要达到 100m 以上。高压、大电流、高可靠性 SiC 电子器件的不断发展对 SiC 外延薄膜提出了更多苛刻的要求，需要通过进一步深入的研究提高厚外延生长技术。电子迁移率 和空穴迁移率p表示单位电场下载流子的漂移速度，对器件而言，这是决定性的重要参数，影响到器件的微波器件跨导、FET 的输出增益、功率 FET 的导通电阻和其它参数。本征载流子浓度（ni）与导带和介带的状态密度 Nc 和 Nv 成比例。然而，由于晶格热膨胀和电子质子耦合的结果，像带隙
8、 Eg 那样，也与温度有关。本征载流子浓度在高温器件应用中是一个很重要的参数，因为器件中 pn 结漏电流通常与ni或 ni2成正比。电子和空穴的传输特性是重要的材料参数，它们由载流子速度-电场(E)特性描述。E 特性通常用载流子迁移率及饱和漂移速度描述。速度达到饱和时的电场值表征载流子速度被加速到达饱和值的快慢。此外，SiC 物质在扩散渗透时有低的渗透度。电荷载流子寿命较短，但是寿命和扩散长度随温度的升高而增大。二、行业动态 国内外现状 SiC 是最早发现的半导体材料之一。早在 1824 年，瑞典科学家 Berzelius 在试图合成金刚石时偶然发现了 SiC，首次揭示了 C-Si 键存在的可
9、能性。直到 1885 年，Acheson 才第一次使用焦炭与硅石混合在电熔炉中高温加热获得 SiC 单晶。但得到的 SiC 杂质浓度较高，结晶完整性较差，同时 SiC 的结晶形态繁多，根本无法用于制造电子器件。1955 年，荷兰飞利浦研究室的 Lely 首次在实验室中用升华气体再结晶的方法制成杂质数量和种类可控制的、具有足够尺寸的 SiC 单晶，由此奠定了碳化硅的发展基础。在此基础上，前苏联科学家 Tariov 和 Tsvetkov 等人于 1 978年提出利用籽晶升华法(seeded sublimation method)生长 SiC 单晶，即所谓“改进的 Lely 法”(modified
10、Lely method)或物理气相传输法(physical vapor transport，PVT)，从根本上克服了液相生长 SiC 比较困难这一障碍。1987 年，专门从事 SiC 半导体研究工作的 Cree 公司成立，并于 1994 年制备出 4H-SiC 晶片。随后，SiC 器件的制造工艺，如离子注入、氧化、刻蚀、金属半导体接触等取得了重大进展，从而掀起了 SiC 材料、器件及相关技术研究的热潮，并取得了突飞猛进的发展。就 SiC 单晶生长来讲，美国 Cree 公司由于其研究领先，主宰着全球 SiC 市场，几乎 85以上的 SiC 衬底由 Cree 公司提供。此外，俄罗斯、日本和欧盟(以
11、瑞典和德国为首)的一些公司和科研机构也在生产 SiC 衬底和外延片，并且已经实现商品化。在过去的几年中，SiC 晶片的质量和尺寸稳步提高，1998 年秋，2 英寸直径的 4H-SiC 晶片已经在投入市场。1999 年直径增大到 3 英寸，微管(micropipe)密度下降到 10cm2左右，这些进展使得超过毫米尺寸的器件制造成为可能。从2005 年下半年，微管密度小于 lcm2的 3 英寸 6H 和 4H-SiC 晶片成为商用 SiC 材料的主流产品。2007 年 5 月 23 日，Cree 公司宣布在 SiC 技术开发上又出现了一座新的里程碑一英寸(100 mm)零微管(ZMP)n 型 Si
12、C 衬底。同时，螺旋位错(screwdislocation)密度被降低到几百个cm2。虽然螺旋位错对器件性能的影响不如微管那么大，但还是会影响到击穿场强、少数载流子寿命等材料性能。SiC 单晶材料取得的突破进展，不断推进着 SiC 器件的研究和发展，大部分常规的 SiC 单极、双极、二端和三端器件都取得了很好的进展。拥有高温、高频特性，击穿电压几千伏、电流几十安培的肖特基二极管已开发成功，300W10、20A，600V212A、20A 和 12kV10、20A 的二极管已经实现商品化。SiC MESFET 及 JFET 等高频大功率器件成为近几年 SiC 器件的一个研究热点。SiC 结型场效应
13、晶体管(Junction Field Efieet Transistor)由于在高压、大功率的优越特性，在汽车电子、DCDC 转换器等领域具有很好的应用前景。2003 年，Jian HZhao 等人研制了凹沟和注入的 4H-SiC VJFETL341。其性能指标为在 VC=-9V 时，阻断电压为 1710V，且 RON_sp轴为，品质因子(Figure of Merit)VB2RON_sp=1056MWcm2。2007 年，Rongxi Zhang 等人报道了便于集成的 4H-SiC 横向 RESURF JFET，其性能指标为阻断电压为1000V，比开态电阻 RON_sp 为 9 1mO cm
14、2，VB2RON_sp=1056MWcm2。Yongxi Zhang 等人还研制了垂直沟道横向结的 RESURF JFET，比开态电阻 RON_sp 即为 cm2，VB2RON_sp=116MWcm2；SiC 双极晶体管(Bipolar Juention Transistor)具有很好的大电流放大能力，而且能够在射频领域工作，成为最近 SiC 器件研究的热点之一。2006 年，Jian Hui Zhang 等人研制了 12m P 漂移层的 SiC BJT，器件性能为：创记录的比开态电阻为 RON_sp 为cm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为 757V，电流增益为。2008 年 Jian
15、Hui Zhang 等人研制了高发射极电流增益 SiC BJT，器件性能为：比开态电阻为 RON_sp 为 mOcm2，基极开态时收集极一发射极阻断电压为 1750V，电流增益高达 70，显示了 SiC BJT 的良好发展态势；2008 年，Robert SHowell 等人报道了芯片面积，有源区面积 O15cm2，击穿电压为 10kV 的 DMOSFET，在栅电场为 3MVcm 时的 IDS=8A，而 VGs=0v 时的亚阂值电流从 25的 1A 降到 200的A。目前 SiC MOSFET 的主要技术挑战在于沟道迁移率的提高和氧化层可靠性的改善；SiC MESFET 作为工作在 UHF-X
16、 波段频率范围内的功率晶体管进入了成熟期，Cree 公司于 2005 年报道单片 4H-SiC MESFET 的微波大功率产品，工作频率 3 GHz，40-50 V 电压，连续波输出功率 80 W，增益大于 dB，功率附加效率 38，脉冲输出功率 120 W。此外，Cree 公司采用4 个晶体管制成输出功率为 400 W 的功率放大器。最近，Northrop Grumlilan Co 制成大功率 4HSiC MESFET 在周长为 mm，栅长为 pm，10 GHz 下，输出功率为 6 W，相应的增益、漏效率和功率附加效率分别为、52和 346。美国 Purdue大学制成的亚微米T 型栅SiC
17、MESFET的饱和漏电流为350 mAmm，跨导为20 msmm，漏击穿电压为 120 V，m 的 T 型栅的最大 RF 功率密度为mm。SiC 基的静态感应晶体管(Static Induced Transistor)、紫外探测器、PiN 二极管、肖特基二极管(SBD)等器件都是具有较好性能和应用潜力。在 4H-SiC 材料和器件发展方面，美国处于国际领先地位，已经从探索性研究阶段向大规模研究和应用阶段过渡。CREE 公司已经生产出 4 英寸(100 mm)零微管(ZMP)n 型 SiC 衬底。同时，螺旋位错(screw dislocation)密度被降低到几十个cm2。商用水平最高的器件：4
18、H-SiC MESFET 在 S-波段连续波工作 60W，ldB 压缩)，漏效率 45，POUT=PldB)，工作频率至。近期 CREE 公司生产的 CRF35010 性能达到：工作电压 48V，输出功率 10W，工作频率，线性增益 10dB；美国正在逐步将这种器件装备在军用武器上，如固态相控阵雷达系统、军事通讯电子系统、高频电源系统、电子战系统干扰和威胁信号预警等。其中 Cree 公司的 SiC MESFET 功率管已经正式装备美国海军的新一代预警机 E2D 样机。近期俄罗斯、欧洲和日本加快发展，SiC 材料生长和器件制造技术也在不断走向成熟。国内西安电子科技大学、山东大学、中电科技集团 1
19、3 所、55 所和 46 所、中国科学院物理研究所以及其它高等院校和研究所有关单位对九十年代初国际上宽禁带半导体的进展给予高度关注，在碳化硅材料生长和器件研制方面取得了一定的成绩。西安电子科技大学、电子 13 所和 55 所在十一五期间开展了对 4H-SiC材料和器件的理论模拟和实验研究，制备出了第一批外延和电子器件，实现了从无到有。在 4H-SiC 外延材料方面，国外的水平是位错密度小于 102cm-2，无微管，迁移率 1000-1200cm2Vs(1015cm3)，掺杂浓度 5101211020cm3，达到了实用化的目的。而国内在 SiC 外延方面刚刚开展工作，与国外先进水平有着较大的差距
20、。五十五所的李哲洋等人利用 CVD 法进行外延生长实验，并对外延材料的缺陷进行了观察，他们观察到了空洞，微管，微错和孪晶，并且对这些缺陷的形成机理进行了分析。中科院半导体研究所材料中心和兰州大学物理学院曾在2004 年和 2005 年发表过文章，报道他们的实验结果，外延层的非有意掺杂约为1016cm-3，而国外普遍的非有意掺杂浓度约为 1014 cm-3，最好的非有意掺杂为浓度5x1012cm-3。而且，他们实验中外延层的生长速度刚超过 3mh，这个数值还是比较低的。同时对材料生长及材料本身的物理特性也缺乏系统研究和认识。发展趋势 半导体在电动车中的作用更强 动力电池的成本通常约占整车成本的
21、50%。在汽车使用一段时间后，电池组中每个单体电池的老化会使电池容量出现变化。控制着电池充电状态（SoC）、健康状况（SoH）和放电深度（DoD）的电池管理系统（BMS）可延长电池的寿命和储电量。英飞凌的主动电池均衡技术可将这些特性提高 10%。在充电方面，未来的长期发展趋势是双向充电，即汽车中的电能也可传回智能电网。具体地，电能在 BMS 监控后，通过 DC/DC 转换器、PFC 及射频干扰滤波器，传给智能电网。英飞凌车厂业务拓展经理曹洪宇称，日产纯电动车 Leaf 的充电设计就考虑到了这点，由于日本地震频繁，电池组可在地震发生后将电能传回电网，以缓解供电紧缺的压力。除行驶动力外，电动汽车的
22、另一重要耗电因素是空调和电动助力转向系统。因此，需优化高压电池辅助系统的电源效率。Graovac 表示，英飞凌与 30 家欧洲厂商和学术研究机构合作发起了 E3Car（高能效电动汽车）研究项目，旨在开发使能效基准提升 35%的技术。SiC JFET 将在 2015 年底出现 在 EV 和 HEV 的逆变器和充电器中，高功率密度、高压、大电流的 IGBT 功率模块可为混合系统的电机提供电能。目前英飞凌 HybridPACK 系列功率模块在 650V 高压下，提供 200A、400A、600A和 800A 的大电流。构成 IGBT 的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元很薄，只有
23、 40m（见图），这样可降低开关损耗，并将导通阻抗降低 8 倍。12 英寸晶圆的产量是 6 英寸的 4 倍。Graovac 表示：“随着开关频率的提高，SiC 材料的功率半导体器件肯定会到来。这种器件的特点是：高效、快速、高温能力强、可靠性高，高压能达 2500V。SiC JFET 可能在 2015 年底出现，可进一步提高逆变器的效率。”SiC 物理特性与 SiC JFET结构如图所示。图 构成 IGBT 的沟槽和场截止（trench+field-stop）单元示意图 图 SiC 物理特性与 SiC JFET 结构示意图 在 EV 和 HEV 应用方面，对开关频率在 100kHz 以上、功率在
24、 10kW 以下的HV-LV DC/DC 转换器和 AC/DC 充电器，基于 MOSFET/CoolMOS 和 SiC 的解决方案如图所示。对高压、大电流逆变器及开关频率在 10kHz 以上的高功率 DC/DC 转换器，基于 IGBT 和 SiC 的解决方案如图所示。图 对开关频率在 100kHz 以上、功率在 10kW 以下的 HV-LV DC/DC 转换器和 AC/DC 充电器，基于 MOSFET/CoolMOS 和 SiC 的解决方案图 对高压、大电流逆变器及开关频率在 10kHz以上的高功率 DC/DC 转换器，基于 IGBT 和 SiC 的解决方案 图 英飞凌.XT 工艺与标准工艺的
25、比较 此外，为了把器件结温提高到 200，英飞凌采用了.XT 工艺（见图），更高的热性能提高了输出功率，延长了使用寿命，降低了硅及系统成本。与标准工艺相比，200结温在器件寿命相同的情况下，可将单位硅面积的输出功率提升 60%；在输出功率相同的情况下，可将单位硅面积的寿命延长 5 倍；在寿命和输出功率相同的情况下，可将硅面积减少 40%；更高温度的冷却液能力可不再使用低温散热器。最后说一句关于 TPMS（胎压监控系统）的题外话。据英飞凌工程师在研讨会上介绍，2007 年 9 月，美国 TPMS 的装配率已达到 100%。欧洲要求在 2014 年11 月，所有的新车需装配 TPMS。日本预计在
26、2016 年实现 100%的装配率。而中国仅在 2011 年 7 月实施了 TPMS 推荐标准，笔者认为这远远不够。中国汽车销售量已达全球首位，如此多的车辆中，每年都会发生大量因爆胎引发的重大交通事故。而爆胎一旦发生，车辆极易失控，多是车毁人亡的严重后果。所以有必要在国内加快 TPMS 的强制性要求，提高安装率，保证驾乘者的生命安全。目前，很多领域都将 Si 二极管、MOSFET 及 IGBT（绝缘栅双极晶体管）等晶体管用作功率元件，比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被
27、GaN 和 SiC 所替代。例如，SiC 已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。电能损失可降低 50以上 利用以 GaN 和 SiC 为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如，逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件，仅将二极管材料由 Si 换成 SiC，逆变器的电能损失就可以降低 1530左右，如果晶体管材料也换成 SiC，则电能损失可降低一半以上。有助于产品实现小型化 电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。利用 GaN 和 SiC 制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性：可进行高速开关动作和耐热性较高。G
28、aN 和 SiC 功率元件能以 Si 功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。耐热性方面，Si 功率元件在 200就达到了极限，而 GaN 和 SiC 功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。这些优点源于 GaN 和 SiC 具备的物理特性。与 Si 相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。SiC 二极管率先实用化 在 GaN 和 SiC 功率元件中，率先产品化的是 SiC。尤其是 SiC 二极管的利用今后似会迅猛增加。除了 2001 年最初实现 SiC 二极管
29、产品化的德国英飞凌科技外，美国科锐和意法合资公司意法半导体等厂商也已经推出了产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了 SiC 二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管（SBD），科锐等部分企业还推出了组合肖特基结和 pn 结的“JBS（junction barrier schottky）构造”二极管。基板供求情况好转 从事 SiC 二极管的企业之所以增加，是由于制作功率元件不可缺少的 SiC 基板的供应状况有了好转。比如，结晶缺陷减少使得 SiC 基板质量提高，而且基板的大口径化也有了进展。口径为 4 英寸的产品正逐渐成为主流。2012 年还开始样品供货 6 英寸产品，2013 年似将有
30、望开始量产。另外，基板厂商的增加引发了价格竞争，基板比以前便宜了。从事外延基板（层叠外延层）厂商的增加也降低了涉足 SiC 二极管业务的门槛。除了 SiC 基板的供应状况好转外，功率 Si 二极管“与 Si 晶体管相比，性能提高的余地比较小”（熟知功率元件的技术人员），这也促使用户使用 SiC 二极管。有观点认为，Si 二极管虽然构造简单，但相应地“性能的提高在日益接近极限，用 SiC 来取代 Si 的趋势今后可能会增加”（上述技术人员）。SiC 制 MOSFET 的普及将从沟道型产品开始 功率元件用 SiC 晶体管虽已开始投产，但普及程度还不如二极管，还停留在极少数的特殊用途。这是由于 Si
31、C 晶体管的制造工艺比二极管复杂，成品率低，因而价格高。并且，虽然速度在减缓，但 Si 晶体管的性能却一直仍在提高。与二极管相比，“还有很大的发展空间”（技术人员）。就是说，目前可以方便地使用低价位高性能的 Si 晶体管。因此，在不断降低 SiC 晶体管成本的同时，发挥 SiC 的出色材料特性，追求Si 无法实现的性能，此类研发正在加速推进。SiC 晶体管主要有 MOSFET、JFET 以及 BJT 三种。其中，最先投产的是 JFET。JFET 虽然可以降低功率损失，但基本上处于“常闭（Normally On）工作”状态（导通状态），即使不加载栅极电压也会工作。一般情况下，在大功率的电源电路上
32、，多希望实现不加载栅极电压就不会驱动的“常开状态”。JFET 也有可以实现常开工作的产品。然而，MOSFET 因在原理上易于实现常开工作，因此很多企业都在致力于研发 MOSFET。科锐（Cree）和罗姆已经投产了 MOSFET。但还称不上是广泛普及。原因除了价格高外，还没有完全发挥出 SiC 的出色材料特性。其中导通时的损失大，为减少导通损失而降低导通电阻的研发正在进行。降低导通电阻的方法是采用在栅极正下方开掘沟道。目前已经投产的 SiC 制MOSFET 都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，JFET电阻会增大，导通电阻的降低存在局限性。而沟道型在构造上不存在 JFET
33、 电阻。因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻。虽然沟道型可以降低导通电阻，但由于要在栅极正下方挖掘沟道，因此量产程度难于平面型。所以尚未投产。最早估计 2013 年罗姆等的产品将面世。GaN 类功率元件可通过使用硅基板降低成本 GaN 在 LED 及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化，而功率元件用途的产品化才刚刚开始，落后于 SiC。但这种情况也在变化。那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。GaN 类功率元件之所以能够降低成本，是因为可利用价格低而口径大的硅基板。采用硅基板，可以使用 6 英寸以上的大口径产品。比如，美国 EPC 公司及美国 IR 就使用硅基板，通过形
34、成外延层而推出了 GaN 类功率元件产品。对运行时导通电阻会上升的“电流崩塌”现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。以耐压为例，尽管产品一般低于 200V，但也有超过了 1kV 的研发品。目前，投产 GaN 类功率元件的企业还很少，但预计从 2012 年会开始逐渐增加。而且，2015 年前后，结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6 英寸的 GaN 基板很可能会面世。如果在 GaN 基板上形成 GaN 类功率元件，便可比使用硅基板等不同种材料的功率元件更易提高电气特性 GaN 和 SiC 将区分使用 2015 年，市场上或许就可以稳定采购到功率元件用 6 英寸 SiC 基板。
35、并且，届时 GaN 类功率元件除了硅基板之外，还有望使用 GaN 基板。也就是说，2015年前后，SiC 制功率元件与 GaN 类功率元件就均可轻松制造了。在对大幅减少电力转换器中的电力损失以及缩小电力转换器尺寸有强烈要求的用途方面，估计会采用 SiC 及 GaN。两种元件最初将根据使用终端的电力容量及开关频率区分使用。GaN 将主要用于中低容量用途，SiC 将主要用于大容量用途。而且，由于 GaN制功率元件更适合高速开关动作，因此要求更高开关频率的用途估计会采用 GaN。SiC 功率元件有望降低成本，SBD 或将降至硅二极管的两倍 与硅制功率半导体元件相比，SiC 制功率元件的电力损失小，可
36、以高速开关，而且耐热性高等，性能更加出色。SiC 制肖特基二极管（SBD）于 2001 年投产，SiC 制 MOSFET 于 2010 年投产，其中 SiC 制 SBD 已被配备于空调及铁路车辆用逆变器等，SiC 制功率元件的采用正在逐步扩大。新日本制铁开发的 6 英寸 SiC 基板 但 SiC 制功率元件要进一步普及到混合动力车及电动汽车等电动车辆、工业设备以及白色家电的电源电路等领域，价格及性能方面还存在课题。SBD 仍十分昂贵，SiC 制 MOSFET 不仅价格高，而且没有完全发挥出 SiC 的出色材料特性。不过，有助于解决这些问题的研究成果接连问世（下表）。氧化镓比 SiC 耐压高且损
37、耗低 “实际上 Ga2O3 是很有意思的材料”（熟知功率半导体元件的研究人员）。与正作为新一代功率半导体材料而在推进开发的 SiC（碳化硅）及 GaN（氮化镓）相比，因有望以低成本制造出高耐压且损耗低的功率半导体元件（以下称功率元件），作为氧化镓一种的 型 Ga2O3 吸引了众多目光。契机是日本信息通信研究机构（NICT）、田村制作所及光波公司共同开发出的 型 Ga2O3 晶体管（此外，还有采用 EFG 法制成的 2 英寸见方基板）。具体就是把肖特基结型金属用作栅极电极的“MESFET”（金属半导体场效应晶体管，metal-semiconductor field effect transist
38、or）。此次的部分开发是通过NEDO的委托业务“节能革新技术开发业务挑战研究超高耐压氧化镓功率元件的研发”实施的。基板制造由田村制作所与光波公司负责，外延层形成由京都大学、东京工业大学及田村制作所负责，工艺由 NICT负责。尽管该晶体管采用不形成保护膜（钝化膜）的简单构造，但耐压却高达 257V，漏电流仅为 5A/mm。“本来是抱着能工作就可以的期望制造的，但结果却好得超出了想象。这是只有氧化镓才能实现的值”，NICT 未来 ICT 研究所超高频 ICT 研究室主任研究员东胁正高开心地表示。材料性质比 SiC 及 GaN 还要出色 比 SiC 或 GaN 耐压高且损耗低的功率元件之所以能够实现
39、，是因为其材料性质参数比两种材料都要出色。其中，带隙和绝缘破坏电场较大。图 NICT 等利用 型 Ga2O3 试制出了晶体管（a、b）。尽管构造简单，但耐压高达 257V（c）。（a）的图片来自于 NICT 等）在 Ga2O3 中，化学性质比较稳定的是 型，其带隙为。该数值是硅的 4 倍以上，而且高于的 SiC 和的 GaN。绝缘破坏电场为 8MV/cm 左右，相当于硅的 20倍以上、SiC 或 GaN 的两倍以上。图 型 Ga2O3 的带隙及绝缘破坏电场特别大，低损耗性指标“Baliga 性能指数”较高（a）。因此，制造相同耐压的功率元件时，型 Ga2O3 与 GaN 或 SiC 相比，导通
40、电阻会变小（b）。因此，从理论上来说，制造相同耐压的单极性功率元件时，型 Ga2O3 与 SiC或 GaN 相比，可以减小导通电阻（图（b）。而导通电阻的降低，有助于减少电源电路中的电力损耗。耐压上也有望超过 SiC。比如，通过设置形成保护膜来减轻电场向栅极集中的“场板”的单极晶体管，“估计可达到 3k4kV”（NICT 的东胁）。而单极元件SiC 制 MOSFET 的耐压一般为 1kV 左右，提高了耐压的双极元件“应该也很难达到 3kV 以上”（东胁）。-Ga2O3 还有一个特点，就是在制作基板时可采用“FZ（floating zone，悬浮区熔法）”及“EFG（edge-defined f
41、ilm-fed growth，导模法）”等溶液生长法，这两种生长法能够以低成本量产结晶缺陷少且口径大的基板。FZ 法及 EFG 法已被实际用于蓝宝石基板的制造。蓝宝石基板是制作蓝色 LED芯片的基板，特点是价格便宜，结晶缺陷少，而且大尺寸产品的口径可达到 68英寸。而 SiC 基板及 GaN 基板一般采用气相法制造，所以减少结晶缺陷以及扩大口径都较为困难。此次试制的晶体管使用的 Ga2O3 基板就是采用 FZ 法制成的，但外形尺寸还很小，只有 6mm4mm 注 1）。“将来制造口径为 6 英寸的 Ga2O3 基板时，估计成本可降至 1 万日元左右。SiC 基板是无法做到如此便宜的”（NICT
42、的东胁）。此外，Ga2O3 基板能够以低于 SiC 或 GaN 的温度在基板上形成外延层，所以有助于降低制造时的耗电量并削减设备成本。如果采用名为“Mist CVD 法”的方法，生长温度还不到 500注 2）。而 GaN 或 SiC 一般需要 1000以上的温度。此次试制的晶体管进行外延层生长时采用了 MBE 法。首先从制造 MOSFET 开始 Ga2O3 中隐藏着巨大的潜力，但研发的全面目前才刚刚开始。试制出的晶体管不仅耐压、输出电流及电流的导通/截止比都还达不到要求，漏电流也较大，而且还存在常闭工作等课题注 3）。但“与采用 GaN 的功率元件的开发初期相比，估计解决课题所花费的时间会较短
43、。目前已找到形成保护膜等解决问题的头绪”（NICT 的东胁）。此外，还存在难以制成 p 型晶体管的课题，但功率元件使用的是 n 型，所以问题不大。据 NICT 介绍，当前的目标是在 2015 年之前利用 Ga2O3 制造出口径为 4 英寸的基板和 MOSFET，2020 年的目标是开始作为功率元件进行小规模量产。国家政策 国家政策支持，中国功率半导体将迎来黄金发展期 据中国半导体行业协会的相关人士透露，有关促进集成电路发展的纲要性文件已草拟完毕，目前正在进行部际协调。上证报资讯获悉，政策扶持的重点将主要集中于集成电路的设计和制造方面，尤其是本土自主核心产业龙头企业，功率半导体将迎来重要战略机遇
44、期和黄金发展期。功率半导体是节能减排的关键技术和基础技术，被大量应用于消费类电子、新能源汽车、光伏发电、风电、工业控制和国防装备。2013 年以来我国大部分地区雾霾天气频发，在这种背景下，大规模使用功率半导体来提高能源效率、促进节能减排，也成为半导体行业发展的重要方向。半导体功率器件的产品门类非常广，主要包括功率 MOS 晶体管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、快恢复二极管（FRD），以及尚未得到大规模应用的采用 SiC 和 GaN 的新一代功率半导体。据矢野经济研究所的统计，未来 7 年间，全球功率半导体销售额的复合增长率三倍于整个半导体行业 3%的营收增速。从国内的
45、情况来看，随着全球空调、节能电机等电子产品产能向国内转移，功率半导体的需求也成倍的增加，仅 IGBT 产品的需求规模已经超过 100 亿元，并且国内已经出现格力电器等消费 IGBT 模块超过 10 亿元的企业，我国已成为全球最大的功率半导体器件消费市场。IGBT 器件仍然严重依赖于国外公司，国产产品市场占有率不足 10%。面对这种状况，国内半导体企业关于 IGBT 的项目纷纷获得政府补助，去年12 月 2 日、23 日，台基股份的 IGBT 产业化项目连续获得专项资金扶持，12 月31 日，士兰微公告其“高压 IGBT 芯片工艺技术开发及产业化”项目获得国家专项资金扶持。士兰微在国家科技重大专
46、项（研发多芯片功率模块）的支持下，已成功地完成了高压 MOSFET、600V-1200VIGBT、FRD、600V-1200V 高压驱动集成电路、功率模块等新技术新产品的研发，相关的产品已陆续开始投入市场，展现了很好的市场前景。科陆电子作为智能电表行业的龙头企业，积极拓展智能电网、节能减排和新能源等多个领域，已经成为节能减排领域的领先企业，也是发改委重点扶持的IGBT 应用的重点探索企业。公司在 2011 年获得科技部的专项资金用于碳化硅及硅基 IGBT 多芯片串联模块研发和测试平台的建立。华微电子自主研发的 IGBT 产品以及改进后的可控硅产品，也取得了一定程度的市场进展，开发出一些较大应用
47、客户群。此外，第三代 MOSFET 产品和 TRENCH工艺平台，在市场上得到了较高的认可度。市场前景 在未来十年，受电源、光伏（PV）逆变器以及工业电动机的需求驱动，新兴的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率半导体市场将以 18%的惊人速度稳步增长。据有关报告称，至 2022 年 SiC 和 GaN 功率半导体的全球销售额将从 2012 年的亿美元增加到 28 亿美元。据预测，未来十年这一市场的销售额将实现两位数的年增长率，见下表。SiC 肖特基二极管已存在十多年，SiC 金氧半场效晶体管（MOSFET）、结晶性场效应晶体管（JFET）和双极型晶体管（BJT）在最近几年出现。GaN 功率半
48、导体则刚刚进入市场。GaN 是一种拥有类似于 SiC 性能优势的宽带隙材料，但拥有更大的成本控制潜力。据分析师预测，氮化镓上硅设备与硅 MOSFET、IGBT 或整流器将在 2019 年实现平价和同等性能，至 2022 年 GaN 功率市场销售额将超过 10 亿大关。SiC 肖特基二极管在 2012 年的销售额超过 1 亿美元，是目前最畅销的 SiC 或GaN 设备。至 2022 年这一数字将增加近一倍。到那时，SiCMOSFET 销售额预计将达到 4 亿美元，超越肖特基二极管成为最热卖的离散电源设备类型。虽然可靠性、价格及性能相近，SiCJFET 和 SiCBJT 各自的销售额预计仅达到 S
49、iCMOSFET 的一半。虽然 IHS 预测 SiC 和 GaN 市场未来几年增长强劲，但与一年前相比，这一预测已是大打折扣了。这一变化的主要原因在于，全球经济的低迷现状使市调机构调低了对功率组件设备的出货量预测。SiC 采用率预测也被大幅调低，因为设备价格并未如此前预测那样快速下跌。相比之下，业界对 GaN 技术的信心有所提高，越来越多公司已宣布进行 GaN研发。例如 Transphorm 已成为首家获得氮化镓上硅设备 JEDEC 资格的公司 三、国内外主要厂家与产品分析 6”衬底 Dow corning LPE Infineon Toshiba 瀚天天成 天域 华进(4”)厚度不均匀性（/
50、mean）2%-2%5%5%掺杂浓度不均与性（/mean）3%-17%15%8%生长速率（m/h）-20-20 表面粗糙度(rms)（nm）-%上表中统计数据除华进外，其他均为 6 英寸外延片。因为可用数据有限，所以只做简单分析。国内厂家掺杂浓度不均性、厚度不均匀性均较高，较国外差距较大。四、行业国内外的生产和检测标准 SiC 同质外延暂时没有国家或者国际通用标准，各公司有各自的生产标准，主要是从厚度、厚度不均匀性、掺杂浓度、掺杂浓度不均匀性、表面粗糙度等方面进行考量。部分标准请见上表。（其他资料暂无）五、行业核心技术与难点技术分析 一些高压双极性器件，需外延膜的厚度超过 50m,掺杂浓度小于