SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料,在热、化学、机械方面都非常稳定。C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构,如4H、6H、3C等等。4H-SiC因为其较高的载流子迁移率,能够提供较高的电流密度,常被用来做功率器件。
SiC晶圆
SiC从上个世纪70年代开始研发,2001年SiCSBD商用,2010年SiCMOSFET商用,SiCIGBT还在研发当中。随着6英寸SiC单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高,使得SiC器件制备能够在目前现有6英寸Si基功率器件生长线上进行,这将进一步降低SiC材料和器件成本,推进SiC器件和模块的普及。
SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面:降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。
降低能量损耗。SiC材料开关损耗极低,全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗,而且开关频率越高,与IGBT模块之间的损耗差越大,这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作,全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。
低阻值使得更易实现小型化。SiC材料具备更低的通态电阻,阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积,SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。
更耐高温。SiC的禁带宽度3.23ev,相应的本征温度可高达800摄氏度,承受的温度相对Si更高;SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率,而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K,更高的热导率可以带来功率密度的显著提升,同时散热系统的设计更简单,或者直接采用自然冷却。
Sic产业链:欧美占据关键位置
SiC生产过程分为SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
SiC衬底:SiC晶体通常用Lely法制造,国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡,且已经开发出8英寸导电型衬底产品,国内衬底以4英寸为主。由于现有的6英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC器件,所以6英寸SiC衬底的高市占率将维持较长时间。
SiC外延:通常用化学气相沉积(CVD)方法制造,根据不同的掺杂类型,分为n型、p型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。
SiC器件:国际上600~1700VSiCSBD、MOSFET已经实现产业化,主流产品耐压水平在1200V以下,封装形式以TO封装为主。价格方面,国际上的SiC产品价格是对应Si产品的5~6倍,正以每年10%的速度下降,随着上游材料器件纷纷扩产上线,未来2~3年后市场供应加大,价格将进一步下降,预计价格达到对应Si产品2~3倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC逐步占领Si器件的市场空间。
SiC市场:汽车是*大驱动力
SiC器件正在广泛地被应用在电力电子领域中,典型市场包括轨交、功率因数校正电源(PFC)、风电(wind)、光伏(PV)、新能源汽车(EV/HEV)、充电桩、不间断电源(UPS)等。根据Yole的预测,2017~2023年,SiC功率器件市场将以每年31%的复合增长率增长,2023年将超过15亿美元;而SiC行业龙头Cree则更为乐观,其预计短期到2022年,SiC在电动车用市场空间将快速成长到24亿美元,是2017年车用SiC整体收入(700万美元)的342倍。
SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一,技术也已经趋于成熟,令其成为实现新能源汽车*佳性能的理想选择。与传统解决方案相比,基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前SiC器件在EV/HEV上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等方面。
傅里叶红外光谱仪Sic半导体应用
室温硅材料中碳、氧的定量分析 傅立叶红外技术可以快速、灵敏、无损地分析硅材料中的碳、氧含量,因此它在硅材料质量控制领域被广泛接受 和应用。布鲁克在这个前沿领域拥有和积累了几十年的经验,并结合布鲁克VERTEX 系列傅立叶红外光谱仪推出 了业内专业和*与时俱进的完整分析方案。根据ASTM/SEMI MF1391标准,建立了室温 硅中代位碳原子含量分析方法。根据ASTM/SEMI MF1188标准,建立了室温 硅中间隙氧含量分析方法。可达检出限: < 400ppba 建议的样品特征: 厚度0.5-2.5 毫米 (约1.5 毫米) 双面抛光、单晶或多晶型。
用于超高灵敏度硅材料质量控制分析的分析仪 CryoSAS 是一款低温硅材料分析仪,可用于太阳 能和电子硅行业的超高灵敏度质量控制。它可以同时定量分 析碳、氧以及浅层杂质(如硼、磷、砷等)。根据ASTM/SEMI标 准,CryoSAS操作简便,无需液氦等制冷剂。相比于传统的湿 化学分析法,CryoSAS更为快速、灵敏,并且对样品没有任何损害。
钝化层分析:钝化层作为保护层、绝缘层或抗反射层,在半 导体材料中扮演着重要的角色。VERTEX 系列 光谱仪是分析钝化层的理想工具,它可以实 现快速灵敏的无损分析。磷硅玻璃(PSG)和硼磷硅玻璃(BPSG)中硼和磷的定量分析 分析SiN等离子层和Si-O基钝化层 分析超低K层。
厚度分析:VERTEX 系列光谱仪可用于测量半导体层状结构中的层厚度,精度极高。此应用是基于对红外光在层状结构中产生的光干涉效应的分析,可用于亚微米量级至毫米量级的厚度分析。用反射或透射实验分析层厚度。专用的分析软件,用于分析复杂的层状结构。可选薄膜扫描成像附件,可测量直径至12”的硅晶片。
