碳化硅材料祭出“杀手锏”级应用!但其推广仍面临重重挑战


来源:中国粉体网   平安

[导读]  碳化硅材料祭出“杀手锏”级应用!但其推广仍面临重重挑战

中国粉体网讯  2020年,当大部分快充电源厂商还在探索65W氮化镓快充市场时,业界首款120W氮化镓+碳化硅快充充电器面世。正是这款产品,第一次将“碳化硅快充”从设想变为现实,开启了碳化硅在快充领域商用的大门。近日,有媒体报道:针对PD快充“小轻薄”的特点,碳化硅功率器件领先企业基本半导体在国内率先推出SMBF封装碳化硅肖特基二极管新品,该产品具有体积小、正向导通压低和抗浪涌能力强等特点,能很好地满足PD快充对器件的特殊需求。



SMBF封装碳化硅肖特基二极管(图片来源:基本半导体)


以碳化硅为代表的第三代半导体材料具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性,备受行业关注,市场前景十分广阔。据国家新材料产业发展专家咨询委员会委员介绍,国家2030计划和“十四五”国家研发计划均已明确第三代半导体为重要发展方向。而国家“新基建”战略覆盖的5G基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、工业互联网都是碳化硅的重要应用领域。

虽然碳化硅产业发展前景可观,但当前碳化硅产业仍处于发展初期,碳化硅技术还不够成熟,发展之路面临不少阻碍,比如碳化硅材料市场供不应求,晶圆的良率和成本、电气性能和产品性能等存在一些问题。同时,全球新冠疫情和国际贸易冲突也给第三代半导体产业供应链带来了巨大冲击。

从国内市场来看,进口品牌凭借先发优势,垄断了国内碳化硅功率器件大部分市场。近些年国产品牌逐步崛起,基本半导体凭借技术优势及产业布局,依靠持续的研发投入和产品迭代,不断提升产品性能,其碳化硅功率器件技术在国内处于领先地位。

据基本半导体的介绍,碳化硅产业链包含碳化硅粉体、碳化硅晶锭、碳化硅衬底、碳化硅外延、碳化硅晶圆、碳化硅芯片和碳化硅器件封装环节。其中衬底、外延片、晶圆、器件封测是碳化硅价值链中最为关键的四个环节。碳化硅材料的可靠性对最终器件的性能有着举足轻重的意义。

在产业界,碳化硅单晶晶锭的制备有升华PVT、HT-CVD、LPE(溶液生长法)三种方法。其中升华PVT是目前最主流的制备方法,大约95%的商用碳化硅晶锭是由PVT生长。其过程是将碳化硅粉体放入专用设备中加热,温度上升到2200—2500℃后粉体开始升华。由于碳化硅没有液态,只有气态和固态,升华后在顶部会结晶出晶锭。一般地,五六厘米的碳化硅晶锭形成,需连续稳定生长200-300小时,由此可见碳化硅晶锭制备速率十分缓慢,这使得晶锭造价高昂。

基本半导体从产业链各环节探究材料特性及缺陷产生的原因,与上下游企业协同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。据其介绍,碳化硅晶锭和衬底片中均含有多种晶体缺陷,如堆垛层错、微管、贯穿螺型位错、贯穿刃型位错、基平面位错等等。碳化硅晶锭缺陷会极大地影响最终器件的良率,这是产业链中非常重要的话题,各衬底厂家都在不遗余力地降低碳化硅晶锭缺陷密度。

衬底片是晶锭切成薄片,磨平并抛光后得到的产物。衬底片在抛光工艺后获得良好的表面质量,可抑制外延生长中缺陷的产生,从而获得高质量的外延片。其表面质量包括平整度、近表面位错以及残余应力。为了在外延生长的初始阶段抑制缺陷的产生,衬底表面必须是无应力和无近表面位错。如果近表面的残余损伤没有被充分的去除,衬底上的外延生长将导致宏观缺陷的产生。所以衬底环节的质量水平会严重影响后续的外延生长环节的质量水平。

据了解,目前碳化硅材料推广面临的重要挑战之一是价格过高,衬底价格远高于硅和蓝宝石衬底。目前碳化硅衬底的主流直径只有4~6英寸,需要更成熟的生长技术来扩大尺寸,以降低价格。另一方面,碳化硅位错密度量级处于102-104,远高于硅、砷化镓等材料。此外,碳化硅还存在较大的应力,会导致面型参数出现问题。改善碳化硅衬底质量,是提高外延材料质量、器件制备的良率、器件可靠性和寿命的重要途径。


资料来源:证券时报、基本半导体。

(中国粉体网编辑整理/平安)

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作者:平安

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