SiC到底为什么那么“神”？

来源:宽禁带半导体技术创新联盟发布时间:2023-01-18713浏览

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相比硅基功率半导体，SiC（碳化硅）功率半导体在开关频率、损耗、散热、小型化等方面存在显著优势。

随着特斯拉大规模量产碳化硅逆变器之后，更多的企业也开始落地碳化硅产品。

SiC那么“神乎其神”，究竟是怎么造出来的？现在都有哪些应用？一起来看！

一颗SiC的诞生

和其他功率半导体一样，SiC-MOSFET产业链包括长晶-衬底-外延-设计-制造-封装环节。

长晶

长晶环节中，和单晶硅使用的提拉法工艺制备不同，碳化硅主要采用物理气相输运法（PVT，也称为改良的Lely法或籽晶升华法），高温化学气相沉积法（HTCVD）作为补充。

核心步骤

碳化硅固体原料；
加热后碳化硅固体变成气体；
气体移动到籽晶表面；
气体在籽晶表面生长为晶体。

图源：《拆解PVT生长碳化硅的技术点》工艺的不同，导致碳化硅长晶环节相比硅基而言，有两大劣势：一是生产难度大，良率较低。碳化硅气相生长的温度在2300℃以上，压力350MPa。全程暗箱进行，易混入杂质，良率低于硅基，直径越大，良率越低。二是生长速度慢。PVT法生长非常缓慢，速度约为0.3-0.5mm/h，7天才能生长2cm，并且最高也仅能生长3-5cm，晶锭的直径也多为4英寸、6英寸。而硅基72h即可生长至2-3m的高度，直径多为6英寸、8英寸新投产能则多为12英寸。因此碳化硅的常称之为晶锭，硅则成为晶棒。

碳化硅晶锭

衬底

长晶完成后，就进入衬底生产环节。经过定向切割、研磨（粗研磨、精研磨）、抛光（机械抛光）、超精密抛光（化学机械抛光），得到碳化硅衬底。衬底主要起到物理支撑、导热和导电的作用。加工的难点在于碳化硅材料硬度高、脆性大、化学性质稳定，因此传统硅基加工的方式不适用于碳化硅衬底。切割效果的好坏直接影响碳化硅产品的性能和利用效率（成本），因此要求翘曲度小、厚度均匀、低切损。目前4英寸、6英寸主要采用多线切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

多线切割示意图未来随着碳化硅晶圆尺寸的加大，对材料利用率要求的提升，激光切片、冷分离等技术也将逐步得到应用。

英飞凌曾在2018年收购Siltectra GmbH，后者开发了一种成为冷裂的创新工艺。相比传统的多线切割工艺损失1/4，冷裂工艺只损失1/8的碳化硅材料。

外延

由于碳化硅材料不能直接在衬底上制作功率器件，需额外在外延层上制造各种器件。因此衬底制作完成后，经过外延工艺在衬底上生长出特定的单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。目前主要采用化学气相沉积法（CVD）工艺制作。

设计

衬底制作完成后，则进入产品设计阶段。对于MOSFET而言，设计环节的重点是沟槽的设计，一方面要避免专利侵权（英飞凌、罗姆、意法半导体等均有专利布局），另外则是满足可制造性和制造成本。

晶圆制造

产品设计完成后便进入晶圆制造阶段，工艺大体与硅基类似，主要有以下5步。

第一步：注入掩膜

图形化氧化膜，制作一层氧化硅（SiO2）薄膜，涂布光刻胶，经过匀胶、曝光、显影等步骤形成光刻胶图形，最后通过刻蚀工艺将图形转移到氧化膜上。

第二步：离子注入

将做好掩膜的碳化硅晶圆放入离子注入机，注入铝离子以形成p型掺杂区，并退火以激活注入的铝离子。移除氧化膜，在p型掺杂区的特定区域注入氮离子以形成漏极和源极的n型导电区，退火以激活注入的氮离子。

第三步：制作栅极

制作栅极。在源极与漏极之间区域，采用高温氧化工艺制作栅极氧化层，并沉积栅电极层，形成栅极控制结构。

第四部：制作钝化层

制作钝化层。沉积一层绝缘特性良好的钝化层，防止电极间击穿。

第五步：制作漏源电极

制作漏极和源极。在钝化层上开孔，并溅射金属形成漏极和源极。

图源：信熹资本虽然工艺层面与硅基差别不大，但由于碳化硅材料的特性，离子注入和退火均需在高温环境下进行（最高1600℃），高温会影响材料本身的晶格结构，难度上升的同时也会影响良率。此外，对于MOSFET部件而言，栅氧的质量直接影响沟道的迁移率和栅极可靠性，由于碳化硅材料中同时存在有硅和碳两种原子。因此需要特殊的栅介质生长方法（还有一点是碳化硅片是透明的，光刻阶段位置对准也难于硅基）。

晶圆制造完成后，将单个芯片切割成裸芯片后，即可根据用途进行封装。分立器件常见的工艺为TO封装。

采用TO-247封装的650V CoolSiC™ MOSFET图源：英飞凌车载领域由于功率和散热要求高，并且有时需要直接搭建桥式电路（半桥或者全桥，或直接和二极管一同封装）。因此常直接封装成模块或者系统。根据单个模块封装的芯片数量，常见的形式有1 in 1（博格华纳）、6 in 1（英飞凌）等，部分企业采用单管并联的方案。

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英飞凌CoolSiC™ MOSFET模块和硅基不同，碳化硅模块工作温度较高，大约在200℃左右。

传统的软钎焊料温度熔点温度较低，无法满足温度要求。所以碳化硅模块常采用低温银烧结焊接工艺。模块制作完成后便可应用至零部件系统中。

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SiC的应用现状？

车载领域，功率器件主要用在DCDC、OBC、电机逆变器、电动空调逆变器、无线充电等需要AC/DC快速转换的部件中（DCDC中主要充当快速开关）。

图源：博格华纳相比硅基材料，碳化硅材料拥有更高的临界雪崩击穿场强（3×106V/cm）、更好的导热性能（49W/mK）和更宽的禁带（3.26eV）。禁带越宽，漏电流也就越小，效率也越高。导热性能越好，则电流密度就越高。临界雪崩击穿场越强，则可以提升器件的耐压性能。

因此在车载高压领域，由碳化硅材料制备的MOSFET和SBD来替代现有的硅基IGBT和FRD的组合能有效提升功率和效率，尤其是在高频应用场景中降低开关损耗。目前最有可能在电机逆变器中实现大规模应用，其次为OBC和DCDC。

800V电压平台

在800V电压平台中，高频的优势使得企业更倾向选择SiC-MOSFET方案。因此目前800V电控大部分规划SiC-MOSFET。平台级别的规划有现代E-GMP、通用奥特能-皮卡领域、保时捷PPE、路特斯EPA，除保时捷PPE平台车型未明确搭载SiC-MOSFET外（首款车型为硅基IGBT），其他车企平台均采用SiC-MOSFET方案。

通用奥特能平台800V车型规划的话就更多了，长城沙龙品牌机甲龙、北汽极狐S HI版、理想汽车S01和W01、小鹏G9、宝马NK1、长安阿维塔E11均表示将搭载800V平台，此外比亚迪、岚图、广汽埃安、奔驰、零跑、一汽红旗、大众等也表示800V技术在研。从Tier1供应商800V订单获取的情况来看，博格华纳、纬湃科技、ZF、联合电子、汇川均宣布获得800V电驱动订单。

400V电压平台

而在400V电压平台中，SiC-MOSFET则主要处于高功率以及功率密度和高效率的考量。如现在已经量产的特斯拉Model 3\Y后电机，比亚迪汉后电机峰值功率200Kw左右（特斯拉202Kw、194Kw、220Kw，比亚迪180Kw），蔚来从ET7开始以及后续上市的ET5也将采用SiC-MOSFET产品，峰值功率为240Kw（ET5为210Kw）。

此外，从高效率角度来考虑部分企业也在探索辅驱用SiC-MOSFET产品的可行性。

其他产品

除电控产品外，部分企业在OBC和DCDC产品中也逐步采用SiC-MOSFET产品，如欣锐科技已经在小三电（OBC产品）中采用该方案。综合来看，仅电控产品来看SiC-MOSFET在800V平台的应用确定性要强于400V平台，而对于小三电产品中，当下最大的制约因素为材料成本，短期替代性不强。

来源：800V高压未来

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