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大企频频出手,探究碳化硅涂层外延有何魔力?

2021-07-21 05:52:10

碳化硅外延晶片即以碳化硅单晶作为衬底成长的外延片。


布局外延环节打通碳化硅全工业链


碳化硅外延层制备处于工业链中间环节,其质量好坏关于器材功能起着至关重要的效果。碳化硅功率器材需要在导电型碳化硅衬底上进行成长高质量碳化硅外延层,进而在外延层上进行制备碳化硅功率器材。


碳化硅作为第三代半导体的首要代表之一,具有光亮的商业远景和巨大的使用潜力。而华为想要脱节缺芯的困境,第三代半导体资料是一次绝佳的换道超车机会。事实上华为也看中了这一点,其自研功率器材已经广为所知,而在碳化硅工业上游,华为大手笔先后出资了我国碳化硅衬底双雄山东天岳与天科合达,布局碳化硅外延则打通了“衬底-外延-器材”的工业链条,牢牢掌握主动权。


碳化硅外延工艺开展趋势碳化硅涂层


为制作功率器材,需要在碳化硅衬底上成长1层或几层碳化硅薄膜,现在主流的办法是采用CVD法进行同质外延成长,其长处在于对外延层厚度及杂质掺杂的准确操控和均匀性,但有严峻的多型体混合问题。前期碳化硅是在无偏角衬底上外延成长的,然而受多型体混合影响,实践外延效果并不抱负,难以进而制备器材。


之后开展了使用台阶流成长办法在不同偏角下斜切碳化硅衬底,使外延外表形成高密度的纳米级外延台阶,可在1 500℃左右的温度下制备均一相的外延层。台阶操控外延法的长处在于不只可以完成低温成长,并且可以稳定晶型的操控,其成长温度可以降至1200℃乃至更低而不发生3C-SiC搀杂相,但随着温度降低,外表缺点密度和背景氮掺杂浓度会明显添加,成长速率也会受到较大影响,因而选择适宜的温度和衬底偏角是完成SiC外延快速高质量制备的要害。另这种办法的缺点在于无法阻断基平面位错和对衬底资料造成浪费。经过几十年的不断开展完善,台阶操控外延法己经比较老练,成为了碳化硅外延的首要技能计划。


为了突破台阶操控外延法的约束,TCS法应运而生,可以一起完成成长速率大幅提高和质量的有效操控,十分有利于SiC厚膜外延成长。TCS技能率先由LPE在14年完成商业化,17年左右Aixtron对设备进行了升级改造,并将该技能移植到了商业的设备中。现在,碳化硅外延技能已与碳化硅外延设备高度交融,但外延设备首要由意大利的LPE公司、德国Aixtron公司以及日本的TEL和Nuflare公司所垄断:


碳化硅涂层

德国Aixtron:产能比较大;

意大利LPE:设备属于单片机,成长速率十分大;碳化硅涂层

日本的TEL和Nuflare:其设备的价格十分昂贵,其次是双腔体,对提高产量有必定的效果。其中,Nuflare是最近几年推出来的一个十分有特色的设备,其能高速旋转,可以到达一分钟1000转,这对外延的均匀性是十分有利的。一起它的气流方向不同于其他设备,是笔直向下的,所以它可以避免一些颗粒物的发生,削减滴落到片子上的概率。

经过外延完成部分器材结构可进一步提高器材功能。首要是经过开发SiC外延沟槽填充技能以完成器材的导通电阻降低。2021年3月3日,瀚天天成发布消息称,突破了碳化硅超结深槽外延要害制作工艺。


操控碳化硅外延缺点是制备高功能器材的要害。碳化硅外延中有较多缺点,包括扩展缺点(微管、TSD、TED和BPD)、外延成长期间的位错以及发生的微观缺点(三角形缺点、胡萝卜缺点、成长的堆垛层错和颗粒)。许多缺点是由衬底中直接复制过来的,因而衬底的质量好坏关于外延的成长,特别是缺点操控起着十分重要的效果。缺点可能会对SiC功率器材的功能和可靠性具有必定影响,微管是先前SiC中典型的器材缺点,但已几乎被消除,不再是器材开发的问题;外延成长期间发生的各种微观缺点,比方胡萝卜缺点、三角形缺点以及掉落物缺点,以及生成的堆垛层错会导致漏电流的明显添加和耐压的降低,进而对SiC器材发生不利影响。为有效操控碳化硅外延中的缺点,可选择适宜的碳化硅衬底和设备,以及改进外延工艺。

中低压使用范畴的SiC外延技能相对老练,但高压范畴较为落后,约束了高压器材的开展。随着碳化硅功率器材制作要求和耐压等级的不断提高,碳化硅外延资料不断向低缺点、厚外延方向开展,厚度也从过去的几μm、十几μm开展到几十乃至上百μm。以全球巨子CREE为例,其n型和P型SiC外延片厚度均可到达200μm;相比之下,我国企业技能水平存在必定距离,瀚天天成现在可以做到n型SiC外延片厚度达40μm,且正在加强技能研制,开发厚度达200μm的n型SiC外延片以及40μm的p型SiC外延片,天域半导体的SiC外延片厚度则能做到30μm。


中低压使用范畴,现在我国碳化硅外延片的中碳化碳化硅涂层硅涂层心参数厚度和掺杂浓度可以做到较优水平,20μm及以下的碳化硅外延产品挨近国际先进水平,可以满足中低压的SBD、JSB、MOS等器材需求;但在高压使用端,我国外延技能开展相对落后,首要体现在厚度、掺杂浓度均匀性等方面,比方厚外延资料缺点操控方面做的不抱负,特别是三角形缺点,关于高压器材的制备有较大影响。一起高压方面器材类型趋向于双极器材,对少子寿数的要求比较高,到达一个抱负的正向电流,其少子寿数至少要到达5μs以上,现在的外延片的少子寿数的参数大概在1~2个μs左右碳化硅涂层,因而无法满足高压器材的需求,相关技能亟待突破。


碳化硅外延市场竞争格式


国际上,碳化硅外延企业首要有Dow corning、II-VI碳化硅涂层、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon 等,国内则首要有天域半导体、瀚天天成等企业,可提供4-6英寸碳化硅外延片。




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