粉末纯度、SiC晶锭一致性……SiC制造都有哪些挑战？

顾名思义，宽禁带半导体（例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)），是通过其最重要的电气特性“禁带”来描述的一类半导体。禁带是价带顶部和导带底部之间的能量差。类似硅的半导体具有相对较窄的禁带，范围为0.6 – 1.5电子伏特(eV)。（图1）

图 1：宽禁带物理特性

宽禁带材料具有超过2电子伏特的禁带。宽禁带半导体越来越受重视，因为这些较大禁带的半导体在许多功率应用中具有比硅更胜一筹的特性，更像绝缘体。例如，宽禁带半导体可以在更高的电压、更高的频率和更高的温度下运行。（图2）这使它们更适合高电压和高功率应用，例如电动汽车（EV）中的牵引逆变器，在此类应用中需要快速开关功能和高压工作，以将车辆电池的直流电源转换为交流电。由于材料特性，基于碳化硅的逆变器可以延长电动车的行驶里程。

图2：宽禁带的优势

在各种宽禁带半导体中，碳化硅（SiC）已经成为极具吸引力的材料，特别适用于高功率转换应用，包括电动汽车（EV）中的牵引逆变器和车载充电机，以及基础设施应用如直流快充、太阳能逆变器、储能和不间断电源（UPS）。碳化硅已批量生产一个多世纪，主要用作研磨材料。幸运的是，它也表现出出色的特性，适用于高电压、大功率应用。

例如，物理特性包括高热导率、高饱和电子漂移速度和高击穿电场。（图3）因此，采用碳化硅构建的系统具有极低的能量损耗和更快的开关速度。此外，与硅MOSFET和IGBT器件相比，碳化硅可以在更小几何尺寸下展现出这些优势。

图3：硅与宽禁带材料的特性

碳化硅的运行，可以超过硅的极限，运行频率也能比硅IGBT更高，还能显著提高功率密度。（图4）

图4.SiC vs Si

对于制造商而言，碳化硅被视为一种竞争利器，也是构建节能系统以及降低整体系统尺寸、重量和成本的机会。这是因为基于碳化硅的系统通常比基于硅的系统更节能、更小、更坚固，因此设计人员可以减小无源器件的尺寸和成本。更具体地说，由于碳化硅器件的发热量较低，因此对于特定的应用，其运行温度可以低于原方案。（图5）

图5：碳化硅应用优势

考虑的一部分是实施新的芯片连接技术（例如烧结），这些技术有助于从器件中散热并确保可靠的连接。与硅相比，碳化硅器件可以在更高的电压下运行，并提供更快的开关速度。所有这些因素使设计人员能够重新思考如何在系统级别实现最佳功能，并在价格方面更具竞争力。一些已经使用碳化硅的高性能器件，包括碳化硅二极管、碳化硅MOSFET以及碳化硅模块。

与硅相比，碳化硅的卓越性能为新兴的应用打开了大门。碳化硅器件的设计电压不低于650V，特别是在1200V以上时，碳化硅成为各种应用的最佳解决方案。诸如太阳能逆变器、电动汽车充电桩和工业交流到直流转换等应用，将在未来逐步迁移到碳化硅上。另一个应用是固态变压器，现有的铜和磁性变压器将将被替代。

虽然碳化硅具有巨大的市场机会，但其制造过程也面临着诸多挑战。这些挑战从确保原材料（技术上称为颗粒或碳化硅粉末）的纯度开始，到生成一致的碳化硅晶锭（图6），然后是在每个后续加工步骤中积累实际经验，以交付可靠的最终产品（图7）。

碳化硅的一个独特挑战在于该材料不存在液相，因此无法通过熔融法生长晶体。晶体生长必须在精细控制的压力下进行，这使其制造比硅更具挑战性。如果碳化硅在高温和低压下保持不变，它会在不经过液相的情况下分解成气态物质。

由于这种特性，碳化硅晶体通过升华或物理气相传输（PVT）的气相技术生长。碳化硅粉末被放置在炉内的坩埚中，加热至高温（超过2200°C），然后碳化硅升华并在晶种上结晶形成碳化硅晶体。采用这种方法生长材料的一个重要部分是晶种，其直径与晶锭相似。使用PVT法，生长速率非常慢，大约为每小时0.1-0.5毫米。

图6：碳化硅粉末、晶锭和晶圆

同样，由于碳化硅相对于硅的极端硬度，制造晶片的过程也更加具有挑战性。碳化硅是一种非常坚硬的材料，即使使用金刚石锯也难以切割。金刚石般的硬度不同于许多其他半导体材料。虽然存在几种将晶锭分离成晶片的方法，但这些方法可能会在单晶中引入缺陷。

图7：碳化硅从原材料到最终产品的制造过程

还有一些规模化挑战。与硅相比，碳化硅是一种缺陷较多的材料。碳化硅的掺杂是一个复杂的过程，而生产较大尺寸且缺陷更少的碳化硅晶圆，使得制造和加工成本居高不下。因此，从一开始确立良好的开发过程至关重要，以保持一致的高质量产出。尽管如此，8英寸的衬底开始进入市场，安森美（onsemi）也在为此助力。

图8：挑战–碳化硅晶圆和缺陷

幸运的是，企业在实现一致可靠的晶锭和晶圆方面投入了大量资金。还利用其在硅制造方面的经验，对方法论和基础材料科学进行了支撑。在发布产品到市场时，必须结合多个关键要素。

为此，碳化硅标准的开发正在进行中。在联合电子器件工程委员会（JEDEC）、汽车电子委员会（AEC）和欧洲电力电子汽车认证组（AQG）内部，多个子团队正在开展所需的工作，为该行业创建碳化硅标准。安森美积极参与这些标准的制定。包括AEC组和JEDEC委员会JC-70.2碳化硅电力电子转换半导体标准。

图 9：稳定的内在和外在可靠性的定义

未完待续，后续推文将继续介绍碳化硅生态系统的不断演进、安森美在碳化硅半导体生产中的优势等。