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简单谈谈“碳化硅单晶”
2020年03月10日 发布 分类:粉体入门 点击量:433
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引言:目前成熟使用的基材采用碳化硅基材的电子元件性能优势十分显著,尤其是在高压与高频的性能上,然而这些优势却始终未能让碳化硅元件转换成较大的市场规模,主要原因就出在碳化硅晶圆的制造和产能的不顺畅下文小编将带大家简单了解一下碳化硅晶圆。

 

16英寸碳化硅外延片

碳化硅单晶有点牛?

是传统且应用最为广泛的半导体材料,其制备技术发展成熟,但局限于硅本身的电子和空穴迁移速度在未来很难满足更高性能半导体器件的需求。相比于传统的老大哥“硅”,碳化硅这个近来有点火的新兵蛋子,有许多先天上更为卓越的性能。

例如,硅材料的极限工作温度为300℃,而碳化硅可以达到600℃以上,硅材料的热导率仅为1.5W·cm-1·K-1而碳化硅的热导率可高达4.9W·cm-1·K-1,这就使得碳化硅在一定工作温度内,无需增加散热装置,有利于设备的小型化发展;与传统的硅器件比,SiC二极管可以实现端很多的反向恢复时间,从而实现更快的开关,其反向恢复电荷要少很多,从而可降低开关损耗,SiC MOSFET没有传统硅IGBT关断特性中所具有的拖尾电流,因此可以将关断损耗降低多达90%,与此用时可以增加开关频率,从而减少对外部平波电容的依赖,一言以蔽之“能耗低”。

 

2:碳化硅使功率器件突破了硅的极限

来源:www.st.com

碳化硅为第三代半导体的主要代表之一,总的来说拥有禁带宽度大、器件极限工作温度高、临界击穿电场强度大、热导率等显著的特点。SiC功率器件可用于混动汽车和纯电动汽车的逆变器、太阳能发电系列中的功率调节器,以及工业设备中使用的输出功率为数千瓦~数十千瓦的电力转化器等广阔领域,近来受到业界的广泛关注。此外,云数据、流媒体服务、物联网等等急速发展,服务器需要更高的功率来处理越来越多的计算负载,也让碳化硅、氮化镓等宽禁带第三代半导体材料有了大展拳脚的机会。

碳化硅单晶制造有何难点?

·长晶条件苛刻:一般而言,碳化硅晶圆需要在2000℃以上高温(硅晶仅需在1500℃),以及350MPa以上才能达成。

·长得贼慢:依据目前硅晶业的生产情况,一般而言,生产8吋的硅棒晶,约需2天半的时间来拉晶,6吋的晶棒则约需一天。而碳化硅,光长晶的时间就约需710天。

·后加工困难:晶棒冷却后需再进行切片、磨抛、清洗等后续工作。有金刚砂之称的碳化硅自然也不是盖的,高至9.5的莫氏硬度让碳化硅晶圆的后加工变得非常困难。

条件艰难如它,而最让人糟心的是:如果长晶过程中有一点点的温度和压力的失误,那之前几天的心血可能都会化为乌有......SiC长晶的巨大困难点除了在石墨坩埚的黑盒子中无法即时观察晶体生长状况外,也因SiC具有200多种生成能皆很相近的晶态,要在如此严苛的条件下生长出大尺寸、无缺陷、全区皆为同一晶态4H(目前元件基板主流),则需要非常精确的热场控制、材料匹配及经验累积。

 

目前已在使用的长晶技术则包含高温化学气象沉积法(HTCVD),与高温升华法(HTCVT)两种。以目前良率最高的HTCVD法为例,它是以摄氏15002500度的高温下,导入高纯度的硅烷(SiH4)、乙烷或丙烷,或氢气等气体,在生长腔内进行反应,先在高温区形成碳化硅前驱物,再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成单晶。然而,HTCVD技术必须精准的控制各区的温度、各种气体的流量、以及生长腔内的压力,才有办法得到品质精纯的晶体。因此在产量与品质上仍是待突破的瓶颈。

 

3:碳化硅与硅晶的生产条件比较

由于碳化硅晶圆的生产具有一定的技术难度,能提供稳定的产量,能量产碳化硅晶圆的企业寥寥无几,在全球市场中,单晶衬底企业主要有CreeDowCorningSiCrystalII-VI、新日铁住金、Norstel等,外延片企业主要有DowCorningII-VINorstelCree、罗姆、三菱电机、Infineon等,而在碳化硅器件方面全球大部分市场份额被InfineonCree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

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