一般人常有的第三代半导体迷思
SiC 是由硅(Si)与碳(C)组成,结合力强,在热量上、化学上、机械上都稳定,由于低耗损、高功率的特性,SiC 适合高压、大电流的应用场景,例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿色能源发电设备。
现今电动车的电池动力系统主要是200V-450V,更高端的车款将朝向800V发展,这将是SiC的主力市场。不过,SiC晶圆制造难度高,对于长晶的源头晶种要求高,不易取得,加上长晶威廉希尔官方网站 困难,因此目前仍无法顺利量产。
另外SiC本身是同质磊晶威廉希尔官方网站 ,所以品质好、组件可靠度佳,这也是电动车选择使用它的主因,加上又是垂直元件,因此功率密度高。
SiC和GaN各具优势发展领域不同
GaN为横向组件,生长在不同基板上,例如SiC或Si基板,为异质磊晶威廉希尔官方网站 ,生产出来的GaN薄膜品质较差,虽然目前能应用在快充等民生消费领域,但用于电动车或工业上则有些疑虑,同时也是厂商极欲突破的方向。
GaN应用领域则包括高压功率器件Power、高射频组件RF,Power常做为电源转换器、整流器,而平常使用的蓝牙、Wi-Fi、GPS定位则为RF射频元件的应用范围之一。
若以基板威廉希尔官方网站 来看,GaN基板生产成本较高,因此GaN组件皆以硅为基板,目前市场上的GaN功率元件以GaN-on-Si硅基氮化镓以及GaN-on-SiC碳化硅基氮化镓两种晶圆进行制造。
一般常听到的GaN制程威廉希尔官方网站 应用,例如上述的GaN RF射频器件及PowerGaN,都来自GaN-on-Si的基板威廉希尔官方网站 ,至于GaN-on-SiC基板威廉希尔官方网站 ,由于碳化硅基板SiC制造困难,威廉希尔官方网站 主要掌握在国际少数厂商手上,例如美国科锐、罗姆半导体ROHM。
射频组件、Power GaN 都来自 GaN-on-Si 威廉希尔官方网站 ,磊晶威廉希尔官方网站 困难、关键SiC基板由国际大厂主导。第三代半导体(包括SiC基板)产业链依序为基板、磊晶、设计、制造、封装,不论在材料、IC设计及制造威廉希尔官方网站 上,仍由国际IDM厂主导,代工生存空间小,目前台湾地区的供货商主要集中在上游材料(基板、磊晶)与晶圆代工。
首先,想要让SiC生长,先得高温伺候,硅在1600度就可以生长,SiC则直接冲上了2300度,压力要到3500MPa,而一个大气压才100kPa,要面对如此高温,还要精确操作,对仪器的要求就十分苛刻,一个失误,通通白费,这样的高温高压下,通常采用名为物理气相传输的方法生长Sic晶体,简称PVT法。
PVT法加热让原材料升华,产生SiC混合气体SixCy,比如SiC2等,这些气体沿着温度梯度缓慢流动,到达低温区的籽晶,借助籽晶形成晶核,慢慢开始生长,成为单晶SiC,与两天能长出两米、直径8英寸的圆柱的硅相比,SiC一周才能长出2cm,可谓是天差地别。
由于气体顺着温度梯度顺流而下,温度梯度大,气体跑得快,但跑得太快又会产生很多错误的结构型,在SiC具有的200多种晶体结构中,4H型等少数几种才能用来做芯片,过多的其它结构型会让成品报废,温度控制、原料配比、气压气流都不可忽视。
生长完成后,还会面临圆柱高度低、晶锭加工难度大,表面质量难保证等问题,这也都成为了摆在我们面前的难题。对生长后的晶锭进行切割、打磨,同样困难重重。利用激光对SiC进行划切,是当前最主流的方法,对于激光的精准控制,当然必不可少。
随着晶圆尺寸的增大,生产难度也迅速增大,但更大的晶圆对于芯片制造更为有利,因此尽管困难重重,各个厂家依然在追求更大尺寸的晶圆生产,然后好不容易费尽了千辛万苦,终于做出了SiC晶片,这个晶片成为衬底。
为了追求更佳的性能,往往会在这层衬底上在生长一层薄膜的晶体,叫做外延,外延完成后就能得到成品SiC外延片晶圆了,和硅类似SiC晶圆尺寸也是468英寸,目前12英寸还没搞定,上次的硅晶圆厂家中,美国意外缺席,这次的SiC,美帝可谓重度参与。
审核编辑 :李倩
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原文标题:SiC是怎么制造出来的?
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