如果硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導(dǎo)體材料奠定了微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)為代表的第二代半導(dǎo)體材料奠定了信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),，那么以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料將是提升新一代信息技術(shù)核心競爭力的重要支撐,。憑借禁帶寬度大、擊穿電場高,、熱導(dǎo)率大等特性,，SiC器件備受期待，但工藝和成本成為其普及的障礙,。不過,，在可以預(yù)見的未來，我們將看到SiC對電動汽車行業(yè)產(chǎn)生的革命性影響,，電動汽車也將引領(lǐng)SiC器件的普及,。

　　SiC材料優(yōu)勢明顯，但普及面臨兩大難題

　　現(xiàn)代電子技術(shù)對半導(dǎo)體材料提出了高溫,、高功率,、高壓、高頻以及抗輻射等新要求,，安森美半導(dǎo)體寬帶隙高級產(chǎn)品線經(jīng)理Llew Vaughan-Edmunds表示：“SiC和GaN均是寬帶隙第三代半導(dǎo)體材料,，結(jié)合卓越的開關(guān)性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾(EMI),，極其適用于下一代電源轉(zhuǎn)換,，如太陽能逆變器、電源,、電動汽車和工業(yè)動力,。”

　　安森美半導(dǎo)體寬帶隙高級產(chǎn)品線經(jīng)理Llew Vaughan-Edmunds

　　以SiC為例對比前兩代半導(dǎo)體材料,， ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級經(jīng)理水原 徳建 (Tokuyasu Mizuhara)告訴《華強(qiáng)電子》雜志記者：“SiC與Si相比,，絕緣擊穿電場強(qiáng)度高約10倍，可達(dá)幾千伏特的高耐壓,。另外Si在高耐壓化時(shí)導(dǎo)通電阻變大,，為了改善這一現(xiàn)象，主要使用Si-IGBT,，但存在開關(guān)損耗大的問題,，而SiC單位面積的導(dǎo)通電阻非常低,，可降低功率損耗，同時(shí)具有優(yōu)異的高速開關(guān)性能,?！?美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士表示：“對功率半導(dǎo)體來說，自上世紀(jì)90年代末推出硅超結(jié)(superjunction) MOSFET以來,，SiC的出現(xiàn)已經(jīng)是新一代量子飛躍,。GaAs具有直接帶隙和高遷移性，但其主要應(yīng)用限于光電子和高頻,。SiC則擁有比Si (1.1 eV)和GaAs (1.39 eV)更寬的帶隙,。”

　　ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心高級經(jīng)理水原 徳建

　　具體來說,，“SiC (2.2 MV/cm)的臨界電場數(shù)量級高于Si,，使功率器件的漂移區(qū)薄10倍，顯著降低了導(dǎo)通狀態(tài)電阻,，與功率等級相當(dāng)?shù)腟i器件相比,，SiC器件的芯片尺寸可以大幅縮小。SiC芯片不僅尺寸更小還可以使電容更低,，這一特點(diǎn)加上更高飽和速度 (Si的兩倍)使SiC能夠在相對較高的頻率下工作。采用SiC器件的電路中可以使用更小的無源器件,，降低開關(guān)損失和提高效率,。最后，SiC更高的帶隙和熱導(dǎo)率 (Si的三倍),，使其可以在更高結(jié)溫 (175–200攝氏度) 條件下可靠地工作,，從而降低或消除主動冷卻要求?！?Avinash Kashyap博士補(bǔ)充解釋SiC器件的優(yōu)勢,。

　　美高森美(Microsemi) SiC技術(shù)總監(jiān)Avinash Kashyap博士

　　不過，即便早在20世紀(jì)60年代碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)就已經(jīng)被人們所熟知,，但實(shí)際情況是SiC器件目前仍未推廣普及,。其中，SiC材料的外延工藝和價(jià)格是兩大阻礙,。

　　微管缺陷已不是普及絆腳石 SiC器件可靠性同樣關(guān)鍵

　　SiC之所以普及受到阻礙,，一大重要原因就是SiC缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。對Si材料而言,，單晶襯底經(jīng)常指硅片(wafer),它是從事生產(chǎn)的前提和保證,。值得慶幸的是，20世紀(jì)70年代末一種生長大面積 SiC襯底的方法以研制成功,，但是用改進(jìn)的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾,。

　　Avinash Kashyap博士介紹,，微管和基面滑移是SiC外延增長期間存在的主要缺陷。最初,，微管限制了SiC基板可以使用的芯片尺寸,，因?yàn)樵诖嬖谖⒐艿牡胤街圃烊魏未怪逼骷⒉豢杀苊獾厥。^去十年,，SiC芯片的這些缺陷已經(jīng)大幅減少,。由于最近幾乎不存在這種缺陷，因此可以制造出大面積SiC器件,，且良率相對較高?，F(xiàn)在，Microsemi已經(jīng)可以提供極低甚至零微管缺陷的芯片,，微管缺陷已不再是實(shí)現(xiàn)高良率工藝的絆腳石,。

　　水原 徳建也表示：“最初開發(fā)的SiC產(chǎn)品受限于當(dāng)時(shí)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，可能在可靠性方面確實(shí)存在一些需要解決的問題,。但如今,，SiC的工藝已逐漸成熟，特別在車載領(lǐng)域已經(jīng)有了很多應(yīng)用的實(shí)績,，可靠性得到了很好的驗(yàn)證,，這也使得SiC近幾年來在一些市場迅速取代傳統(tǒng)Si器件?！?/p>

　　除了缺陷密度問題,，SiC界面狀態(tài)和表面粗糙度問題同樣需要解決，這些缺陷降低了器件的遷移性,，妨礙材料的特性充分被利用,。氧化層質(zhì)量降低也會對器件的長期可靠性造成不良影響。Avinash Kashyap博士表示：“改善SiC中氧化層的質(zhì)量是美高森美過去幾年的重點(diǎn),。我們通過先進(jìn)的器件設(shè)計(jì)方法,，降低介質(zhì)界面的電應(yīng)力，確保氧化層的穩(wěn)健性,。在制造階段,，美高森美開發(fā)了采用幾個(gè)專有步驟的潔凈氧化工藝，降低了固有缺陷,，并確保器件使用壽命較長,。除設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)之外，美高森美的SiC產(chǎn)品還將符合汽車AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的要求,。這是我們?yōu)樽约涸O(shè)立的高標(biāo)桿,，確保向客戶提供市場上最可靠的SiC部件。”

　　Llew Vaughan-Edmunds也表示：“SiC基板處理,、外延生長和制備等方面的進(jìn)展大大降低缺陷密度到市場發(fā)布可接受的水平,。隨著需求的增長，我們將看到持續(xù)的工藝改進(jìn)及更高批量,，但還需要顧及最終產(chǎn)品的篩選級別,。安森美半導(dǎo)體具有獨(dú)特的方法實(shí)施于整個(gè)完整的工藝周期，以確?？蛻臬@得最高質(zhì)量的產(chǎn)品,。另一個(gè)重要的考量是SiC二極管/MOSFET的設(shè)計(jì)，SiC很多設(shè)計(jì)用于處理高應(yīng)力,，對于終端結(jié)構(gòu)需要考慮很多以確保器件的強(qiáng)固性,。安森美半導(dǎo)體擁有專利的終端結(jié)構(gòu)，能為市場提供可靠性卓越的產(chǎn)品,?！?/p>