一、引言

       近二十年來(lái)碳化硅半導(dǎo)體材料開(kāi)始被行內(nèi)人士重視，因?yàn)樗性S多優(yōu)勢(shì)。早在上世記50年代，在黃昆、謝希德合著的“半導(dǎo)體物理學(xué)”著作中已介紹了半導(dǎo)體碳化硅。最早進(jìn)入制作半導(dǎo)體器件的材料是鍺，隨后，硅和三、五族半導(dǎo)體材料登上了歷史舞臺(tái)。直至如今電力電子領(lǐng)域的晶閘管和IGBT等高壓、大電流器件仍是使用硅單晶材料。由于碳化硅器件設(shè)計(jì)理論有所突破，人們對(duì)更高性能的大功率半導(dǎo)體器件的期望也越來(lái)越迫切。

       2002年，有位研究者著文預(yù)言：

       目前,德國(guó)Infineon公司已在市場(chǎng)上出售碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管。世界不少大型半導(dǎo)體公司紛紛開(kāi)發(fā)降低碳化硅器件溝道電阻并且降低整個(gè)器件功耗的技術(shù)。預(yù)計(jì)2006年后這些先進(jìn)器件可在市場(chǎng)上出售。

       目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺陷也多。通過(guò)不斷的研究開(kāi)發(fā),預(yù)計(jì)到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場(chǎng)。

       實(shí)際并非如此。

       二、人們是如何評(píng)價(jià)碳化硅的?

       幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

       碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個(gè)數(shù)量級(jí)。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

       近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小,因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

       三、目前碳化硅器件發(fā)展情況如何?

       1、技術(shù)參數(shù)：舉例來(lái)說(shuō)，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅材料沒(méi)有差別，高的正向壓降要達(dá)到2V。

       2、市場(chǎng)價(jià)格：約為硅材料制造的5到6倍。

       四、碳化硅(SiC)電力電子器件發(fā)展中的難題在哪里?

       綜合各種報(bào)道，難題不在芯片的原理設(shè)計(jì)，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決好并不難。難在實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。

       舉例如下：

       1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見(jiàn)的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來(lái)制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過(guò)15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過(guò)100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

       2、外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問(wèn)題，溫度不能太高，一般不能超過(guò)1800℃，因而生長(zhǎng)速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

       3、摻雜工藝有特殊要求。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時(shí)掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來(lái)了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問(wèn)題。目前，p型離子注入的問(wèn)題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。

       4、歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃ 以上時(shí)熱穩(wěn)定性較差。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃、100h ，不過(guò)其接觸比電阻高達(dá)10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

       5、配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見(jiàn)得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

       以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問(wèn)題還沒(méi)有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對(duì)碳化硅MOSFET器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒(méi)有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。

       五、結(jié)論

       借鑒各類科技發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，凡事都有一個(gè)自己的發(fā)展規(guī)律。例如晶閘管上世記五十年代在我國(guó)出現(xiàn)，用于電氣控制，受到各行各業(yè)歡迎，但并不一帆風(fēng)順。先是可控硅熱，后因設(shè)計(jì)原理沒(méi)有徹底搞清，產(chǎn)品故障頻發(fā)，社會(huì)出現(xiàn)了“可怕硅”的恐懼。經(jīng)過(guò)努力，下定決心克服難題，迎來(lái)了晶閘管的普及使用。所以，碳化硅功率器件的發(fā)展也不可能出現(xiàn)飛躍。