碳化硅： 优质的新型半导体衬底材料半导体材料根据时间先后可大致分为三代。第一代为锗、硅等普通单质其 特点为开关便捷

时间: 2023-11-28 12:30:58 |   作者: 新闻中心

  第一代为锗、硅等普通单质材料，其 特点为开关便捷，一般多用于集成电路。

  第三代半导体最重要的包含碳化硅、氮化镓等化合物半导体 和金刚石等特殊单质。凭借优秀的物理化学性质，碳化硅材料在功率、射频器件领 域逐渐开启应用。

  第三代半导体耐压性较好，是大功率器件的理想材料。第三代半导体主要是碳 化硅和氮化镓材料， SiC 的禁带宽度为 3.2eV，GaN 的禁带宽度为 3.4eV，远超 过 Si 的禁带宽度 1.12eV。由于第三代半导体普遍带隙较宽，因此耐压、耐热性较 好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐渐走入大规模运用，在功率器件领域，碳 化硅二极管、MOSFET 慢慢的开始商业化应用。

  基于上述特性，以碳化硅为衬成的功率器件相比硅基功率器件在性能方 面更具有优势：

  （1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 余倍， 使得碳化硅器件耐高压特性明显高于同等硅器件。

  （2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作时候的温度更高。耐高温特性可 以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端能更加轻量和 小型化。

  （3）更低的能量损耗。碳化硅具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率，使得 碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有 3 倍于硅的禁带宽度， 使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅度减少，以此来降低功率损耗；碳化硅器件在关 断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅度提高实际应用的开关频率。 根据ROHM的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET导通电阻是硅基MOSFET 的 1/200，尺寸是是硅基 MOSFET 的 1/10。对于相同规格的逆变器来说，使用碳 化硅基 MOSFET 相比于使用硅基 IGBT 系统总能量损失小于 1/4。

  碳化硅优良的频率、散热特性，使得其在射频器件上也得到普遍应用。碳化硅、 氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的 2.0、2.5 倍，因此碳化硅、氮化镓器 件的工作频率大于传统的硅器件。然而，氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点，而 碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点，因此业 界采取半绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。

  按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化 硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后分明用来制造功率器件、射频器件等分立器 件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要使用在于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通 过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进 一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要使用在于制造功率器件。 与传统硅功率器件制作流程与工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上， 需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特 基二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。

  外延工艺是指在碳化硅衬底的表面上生长一层质量更高的单晶材料，如果在 半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，则称为异质外延；如果在导电型碳化硅 衬底表面生长一层碳化硅外延层，则称为同质外延。 外延层的生长可以消除衬底生长中的某些缺陷，生长的外延层质量相对较好。 碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质，导致衬底材料的质量 和性能都不够好。而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。 例如衬底缺陷中的 BPD（基平面位错）约 95%转化为 TED（贯穿刃型位错），而 BPD 可导致器件性能退化，TED 基本不影响最终碳化硅器件的性能。@全球通

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  碳化硅： 优质的新型半导体衬底材料半导体材料根据时间先后可大致分为三代。第一代为锗、硅等普通单质材料，其 特点为开关便捷，一般多用于集成电路。第二代为砷化镓、磷化铟等化合物半导体， 大多数都用在发光及通讯材料。第三代半导体最重要的包含碳化硅、氮化镓等化合物半导体 和金刚...