一、引言

       近二十年來碳化硅半導體材料開始被行內人士重視，因為它有許多優勢。早在上世記50年代，在黃昆、謝希德合著的“半導體物理學”著作中已介紹了半導體碳化硅。最早進入制作半導體器件的材料是鍺，隨后，硅和三、五族半導體材料登上了歷史舞臺。直至如今電力電子領域的晶閘管和IGBT等高壓、大電流器件仍是使用硅單晶材料。由于碳化硅器件設計理論有所突破，人們對更高性能的大功率半導體器件的期望也越來越迫切。

       2002年，有位研究者著文預言：

       目前,德國Infineon公司已在市場上出售碳化硅肖特基勢壘二極管。世界不少大型半導體公司紛紛開發降低碳化硅器件溝道電阻并且降低整個器件功耗的技術。預計2006年后這些先進器件可在市場上出售。

       目前,低功耗的碳化硅器件已經從實驗室進入了實用器件生產階段。目前碳化硅圓片的價格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發,預計到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場。

       實際并非如此。

       二、人們是如何評價碳化硅的?

       幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

       碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍,高達3.2MV/cm.其導熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區的厚度薄了一個數量級。其雜質濃度可為硅的2個數量級。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發熱量極低。這有助于減少傳導和開關損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導體還有的固有的強抗輻射能力。

       近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發熱量小,因而碳化硅器件的導熱性能極優。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

       三、目前碳化硅器件發展情況如何?

       1、技術參數：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達600℃相差很遠。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達到2V。

       2、市場價格：約為硅材料制造的5到6倍。

       四、碳化硅(SiC)電力電子器件發展中的難題在哪里?

       綜合各種報道，難題不在芯片的原理設計，特別是芯片結構設計解決好并不難。難在實現芯片結構的制作工藝。

       舉例如下：

       1、碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術發展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優質晶片的微管密度已達到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2 。

       2、外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。

       3、摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜，碳化硅擴散溫度遠高于硅，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩定，因此不宜采用擴散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質處于未激活狀態的情況都比較嚴重，往往要在相當高的襯底溫度下進行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質選擇到退火溫度的一系列工藝參數都還需要優化。

       4、歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達到，但在100℃ 以上時熱穩定性較差。采用Al/Ni/W/Au復合電極可以把熱穩定性提高到600℃、100h ，不過其接觸比電阻高達10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

       5、配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

       以上僅舉數例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態對碳化硅MOSFET器件的長期穩定性影響方面，行業中還有沒有達成一致的結論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發展。

       五、結論

       借鑒各類科技發展經驗，凡事都有一個自己的發展規律。例如晶閘管上世記五十年代在我國出現，用于電氣控制，受到各行各業歡迎，但并不一帆風順。先是可控硅熱，后因設計原理沒有徹底搞清，產品故障頻發，社會出現了“可怕硅”的恐懼。經過努力，下定決心克服難題，迎來了晶閘管的普及使用。所以，碳化硅功率器件的發展也不可能出現飛躍。