SiC是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料,在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。C原子和Si原子不同的結(jié)合方式使SiC擁有多種晶格結(jié)構(gòu),如4H、6H、3C等等。4H-SiC因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率,能夠提供較高的電流密度,常被用來(lái)做功率器件。

 SiC晶圓

 SiC從上個(gè)世紀(jì)70年代開始研發(fā),2001年SiCSBD商用,2010年SiCMOSFET商用,SiCIGBT還在研發(fā)當(dāng)中。隨著6英寸SiC單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高,使得SiC器件制備能夠在目前現(xiàn)有6英寸Si基功率器件生長(zhǎng)線上進(jìn)行,這將進(jìn)一步降低SiC材料和器件成本,推進(jìn)SiC器件和模塊的普及。

SiC器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自三個(gè)方面:降低電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗、更容易實(shí)現(xiàn)小型化、更耐高溫高壓。

降低能量損耗。SiC材料開關(guān)損耗極低,全SiC功率模塊的開關(guān)損耗較大低于同等IGBT模塊的開關(guān)損耗,而且開關(guān)頻率越高,與IGBT模塊之間的損耗差越大,這就意味著對(duì)于IGBT模塊不擅長(zhǎng)的高速開關(guān)工作,全SiC功率模塊不只可以大幅降低損耗還可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。

低阻值使得更易實(shí)現(xiàn)小型化。SiC材料具備更低的通態(tài)電阻,阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積,SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到只為Si的1/10左右。

更耐高溫。SiC的禁帶寬度3.23ev,相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800攝氏度,承受的溫度相對(duì)Si更高;SiC材料擁有3.7W/cm/K的熱導(dǎo)率,而硅材料的熱導(dǎo)率只有1.5W/cm/K,更高的熱導(dǎo)率可以帶來(lái)功率密度的明顯提升,同時(shí)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,或者直接采用自然冷卻。

Sic產(chǎn)業(yè)鏈:歐美占據(jù)關(guān)鍵位置

 SiC生產(chǎn)過(guò)程分為SiC單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)及器件制造三大步驟,對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。

SiC襯底:SiC晶體通常用Lely法制造,國(guó)際主流產(chǎn)品正從4英寸向6英寸過(guò)渡,且已經(jīng)開發(fā)出8英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)襯底以4英寸為主。由于現(xiàn)有的6英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn)SiC器件,所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長(zhǎng)時(shí)間。

SiC外延:通常用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制造,根據(jù)不同的摻雜類型,分為n型、p型外延片。國(guó)內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。

SiC器件:國(guó)際上600~1700VSiCSBD、MOSFET已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,主流產(chǎn)品耐壓水平在1200V以下,封裝形式以TO封裝為主。價(jià)格方面,國(guó)際上的SiC產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品的5~6倍,正以每年10%的速度下降,隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線,未來(lái)2~3年后市場(chǎng)供應(yīng)加大,價(jià)格將進(jìn)一步下降,預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng)Si產(chǎn)品2~3倍時(shí),由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)SiC逐步占領(lǐng)Si器件的市場(chǎng)空間。

SiC市場(chǎng):汽車是大驅(qū)動(dòng)力

SiC器件正在較多地被應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域中,典型市場(chǎng)包括軌交、功率因數(shù)校正電源(PFC)、風(fēng)電(wind)、光伏(PV)、新能源汽車(EV/HEV)、充電樁、不間斷電源(UPS)等。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè),2017~2023年,SiC功率器件市場(chǎng)將以每年31%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng),2023年將超過(guò)15億美元;而SiC行業(yè)排前Cree則更為樂(lè)觀,其預(yù)計(jì)短期到2022年,SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速成長(zhǎng)到24億美元,是2017年車用SiC整體收入(700萬(wàn)美元)的342倍。

SiC是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一,技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟,令其成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車較好性能的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比,基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊湊。目前SiC器件在EV/HEV上應(yīng)用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。

傅里葉紅外光譜儀Sic半導(dǎo)體應(yīng)用

 室溫硅材料中碳、氧的定量分析 傅立葉紅外技術(shù)可以快速、靈敏、無(wú)損地分析硅材料中的碳、氧含量,因此它在硅材料質(zhì)量控制領(lǐng)域被較多接受 和應(yīng)用。布魯克在這個(gè)前沿領(lǐng)域擁有和積累了幾十年的經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合布魯克VERTEX 系列傅立葉紅外光譜儀推出 了業(yè)內(nèi)專業(yè)和較與時(shí)俱進(jìn)的完整分析方案。根據(jù)ASTM/SEMI MF1391標(biāo)準(zhǔn),建立了室溫 硅中代位碳原子含量分析方法。根據(jù)ASTM/SEMI MF1188標(biāo)準(zhǔn),建立了室溫 硅中間隙氧含量分析方法?？蛇_(dá)檢出限: < 400ppba 建議的樣品特征: 厚度0.5-2.5 毫米 (約1.5 毫米) 雙面拋光、單晶或多晶型。

 用于超高靈敏度硅材料質(zhì)量控制分析的分析儀 CryoSAS 是一款低溫硅材料分析儀,可用于太陽(yáng) 能和電子硅行業(yè)的超高靈敏度質(zhì)量控制。它可以同時(shí)定量分 析碳、氧以及淺層雜質(zhì)(如硼、磷、砷等)。根據(jù)ASTM/SEMI標(biāo) 準(zhǔn),CryoSAS操作簡(jiǎn)便,無(wú)需液氦等制冷劑。相比于傳統(tǒng)的濕 化學(xué)分析法,CryoSAS更為快速、靈敏,并且對(duì)樣品沒有任何損害。

 鈍化層分析:鈍化層作為保護(hù)層、絕緣層或抗反射層,在半 導(dǎo)體材料中扮演著重要的角色。VERTEX 系列 光譜儀是分析鈍化層的理想工具,它可以實(shí) 現(xiàn)快速靈敏的無(wú)損分析。磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)中硼和磷的定量分析 分析SiN等離子層和Si-O基鈍化層 分析較低K層。

 厚度分析:VERTEX 系列光譜儀可用于測(cè)量半導(dǎo)體層狀結(jié)構(gòu)中的層厚度,精度極高。此應(yīng)用是基于對(duì)紅外光在層狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的光干涉效應(yīng)的分析,可用于亞微米量級(jí)至毫米量級(jí)的厚度分析。用反射或透射實(shí)驗(yàn)分析層厚度。的分析軟件,用于分析復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)?？蛇x薄膜掃描成像附件,可測(cè)量直徑至12”的硅晶片。