2022年是晶體管發(fā)明75周年。1947年，肖克利、巴丁和布拉坦在貝爾實(shí)驗(yàn)室完成了這項(xiàng)重大發(fā)明，開創(chuàng)了一個(gè)巨大的半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)影響到我們生活的方方面面。我記得，作為一名年輕的工程師，當(dāng)我進(jìn)入新澤西州默里山的貝爾實(shí)驗(yàn)室大樓工作時(shí)，看到墻上的第一個(gè)晶體管，我受到了啟迪。

早期的晶體管是用鍺制成的，但在1960年左右，硅成為首選的半導(dǎo)體材料，因?yàn)槠涓蟮膸犊梢越档吐?a href="http://www.nxhydt.com/tags/電流/" target="_blank">電流。對(duì)于高電壓和高電流條件下的高功率應(yīng)用，硅功率MOSFET和IGBT被開發(fā)、優(yōu)化并應(yīng)用到更多的系統(tǒng)中。事實(shí)上，由于硅功率器件的低成本批量生產(chǎn)、優(yōu)異的起始材料質(zhì)量、易于制造以及經(jīng)驗(yàn)證的可靠性和耐用性，硅功率器件如今已在電力電子領(lǐng)域根深蒂固。盡管硅功率器件享有器件/電路設(shè)計(jì)傳統(tǒng)和大量精簡(jiǎn)的制造基礎(chǔ)設(shè)施，但它們正在接近硅的工作極限。硅相對(duì)較低的帶隙和臨界電場(chǎng)導(dǎo)致高傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，并危及高溫性能。因此，其它有前途的材料系統(tǒng)已被探索用于高效的高功率應(yīng)用。

碳化硅是一種IV–IV寬帶隙化合物材料，Si和C原子之間具有強(qiáng)化學(xué)鍵，具有高硬度、化學(xué)惰性和高導(dǎo)熱性。在SiC中，寬的n型和p型注入摻雜范圍以及相對(duì)薄的SiO2是可能的。相對(duì)于硅，SiC表現(xiàn)出高3倍的寬帶隙、7倍至9倍臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和2.5倍的導(dǎo)熱率。這些有利的材料特性，使高效的功率器件具有更小的形狀因數(shù)和簡(jiǎn)化的冷卻，表征了優(yōu)于Si的性能演變。這一點(diǎn)很早就得到了認(rèn)可，并導(dǎo)致了對(duì)SiC的重大投資，最終于2001年推出了第一個(gè)商用SiC肖特基勢(shì)壘二極管。2010年業(yè)界推出了首個(gè)商用SiC MOSFET，并于2018年開始在電動(dòng)汽車中采用商用SiC MOSFET。

鑒于SiC在高功率應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢(shì)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，業(yè)界一直致力于開發(fā)SiC材料和器件技術(shù)。在新型半導(dǎo)體材料上制造的功率器件商業(yè)化的重要先決條件包括大直徑、低缺陷襯底和高質(zhì)量外延層生長(zhǎng)的可用性，利用現(xiàn)有的、可擴(kuò)展的硅晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施的制造工藝，器件優(yōu)越性的展示和可與現(xiàn)有半導(dǎo)體器件媲美的可靠性、耐用性。

純SiC晶體是通過(guò)Lely升華技術(shù)生長(zhǎng)的。晶體主要是6H-SiC，但包括其它多型體。1978年，Tairov和Tsvetkov發(fā)明了一種可復(fù)制的SiC晶塊生長(zhǎng)方法；該方法涉及將6H-SiC籽晶插入升華生長(zhǎng)爐中并控制從SiC源到籽晶的質(zhì)量傳輸。這種生長(zhǎng)方法被稱為改進(jìn)的Lely法或種子升華法，由幾個(gè)小組改進(jìn)并進(jìn)一步發(fā)展，以獲得具有大直徑和降低缺陷密度的SiC晶塊。今天，150mm SiC襯底主要用于生產(chǎn)并擴(kuò)展到200mm，但規(guī)模較小。通過(guò)積極處理基底面位錯(cuò)（最后一個(gè)主要的災(zāi)難性缺陷），殺手級(jí)缺陷密度已大幅降低。

1987年，Kuroda等人在1500?C至1650?C的相對(duì)較低生長(zhǎng)溫度下，在離軸襯底上展示了高質(zhì)量SiC CVD同質(zhì)外延生長(zhǎng)。這是4H-SiC襯底上的標(biāo)準(zhǔn)外延技術(shù)，由于其在垂直方向上具有較高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較低的摻雜劑電離能，因此對(duì)于功率器件來(lái)說(shuō)是優(yōu)選的。水平熱壁（Kordina等人，1993）和行星熱壁反應(yīng)器是非常成功的SiC外延生產(chǎn)平臺(tái)。SiC晶片具有硅面和碳面。由于更好的柵極氧化物質(zhì)量，器件通常在硅面上制作。目前，SiC晶片占SiC器件總成本的45%至65%，這是其獨(dú)特復(fù)雜制造工藝的結(jié)果。因此，業(yè)界正在探索幾種顛覆性的SiC晶片技術(shù)，包括工程襯底和更有效的晶錠利用。

許多成熟的硅工藝已經(jīng)成功地轉(zhuǎn)移到SiC上。然而，SiC材料的特性需要優(yōu)化特定工藝，包括晶片減薄、干蝕刻、熱注入和退火、低電阻率歐姆接觸形成、高質(zhì)量柵極氧化物界面、透明晶片的計(jì)量、檢查以及相對(duì)缺乏平坦度的晶片處理。SiC器件制造商已經(jīng)開發(fā)了幾種高產(chǎn)量制造工藝IP，與硅不同，它們?cè)谠O(shè)計(jì)和加工方面都有競(jìng)爭(zhēng)。如今，SiC制造業(yè)已經(jīng)成熟，其晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施與Si的基礎(chǔ)設(shè)施相當(dāng)。集成SiC器件制造商與代工制造廠和無(wú)晶圓廠共存，設(shè)計(jì)公司提供可獲得許可的專有技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以加速進(jìn)入市場(chǎng)。

從歷史角度來(lái)看，Matus等人和Urushidani等人分別于1991年和1993年發(fā)布了1kV p-n和肖特基勢(shì)壘二極管。對(duì)于晶體管，Palmour等人于1993年展示了第一個(gè)垂直溝槽MOSFET，普渡大學(xué)庫(kù)珀教授團(tuán)隊(duì)于1997年展示了首個(gè)平面雙注入功率MOSFET。

我的SiC之旅始于2000年代初，當(dāng)時(shí)我正在為RF雷達(dá)功率放大器制造SiC JFET。他們的器件面積為1.2×10–3 cm2，包括位于晶片邊緣的JFET，良率達(dá)到92%（圖1）。小的RF器件面積減輕了缺陷對(duì)成品率的不利影響。當(dāng)時(shí)的晶圓直徑為3英寸，我的設(shè)計(jì)由134個(gè)掩模版組成。制造用于功率應(yīng)用的0.27cm2尺寸器件將需要整個(gè)掩模版。在圖1的晶片圖中所示的134個(gè)掩模版中，只有黃色所示的五個(gè)掩模版沒(méi)有失效器件，因此0.27cm2器件的良率為3.7%，今天依然如此。隨著SiC器件的面積增加，加工缺陷對(duì)良率具有不成比例的災(zāi)難性影響。

圖1： JFET柵極到源極擊穿電壓的晶片圖，顯示92%的良率，這包括位于晶片邊緣JFET的貢獻(xiàn)。好的器件顯示為紅色；故障器件顯示為灰色。每個(gè)掩模版中的大的、均勻分布的白色正方形包含在自動(dòng)探針測(cè)試中未測(cè)量的實(shí)驗(yàn)器件和表征結(jié)構(gòu)。只有五個(gè)方框（用黃色輪廓表示）內(nèi)不包含故障器件。

早在2006年，我就制造了1200V 0.19-cm2 JFET，能夠在2V的正向壓降和2.5V的柵極偏置下輸出54A電流（圖2）。這促使我繼續(xù)致力于SiC的商業(yè)化。事實(shí)上，我的0.19平方厘米JFET在日本大津舉行的2007年SiC及相關(guān)材料國(guó)際會(huì)議上獲得了“器件新紀(jì)錄”。

圖2：2006年在3英寸晶圓上制造的0.19-cm2 4H-SiC JFET的代表性正向電流特性。該器件在2V的正向壓降和2.5V的柵極偏置下輸出54A的電流。它能夠阻擋1270V的電壓。

當(dāng)引入一種有前途的技術(shù)時(shí)，需要一種合適的大規(guī)模應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)成本削減。對(duì)于SiC而言，混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車構(gòu)成了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)了我們目前正在經(jīng)歷的SiC爆炸式增長(zhǎng)。根據(jù)Yole Group的預(yù)測(cè)，到2027年，功率SiC器件將成為63億美元的市場(chǎng)，其中汽車占50億美元。總體而言，預(yù)計(jì)到2027年，SiC將占據(jù)功率器件市場(chǎng)的20%以上。

在未來(lái)五年中，復(fù)雜和勞動(dòng)/時(shí)間密集型SiC襯底的生長(zhǎng)將繼續(xù)推動(dòng)垂直集成、“飄移”式創(chuàng)新（每晶塊產(chǎn)生更多襯底）以及工程襯底的進(jìn)步。在200毫米晶圓接近每平方厘米的成本和缺陷密度標(biāo)桿之前，150毫米晶圓將占據(jù)超過(guò)50%的市場(chǎng)份額。

非CMOS兼容工藝，如歐姆接觸形成、熱注入和退火、襯底薄化和金屬化將接近標(biāo)準(zhǔn)化。晶片平整度將提高，便于制造。柵極氧化物優(yōu)化將增加遷移率并降低閾值電壓不穩(wěn)定性。由于其更高的復(fù)雜性，溝槽MOSFET結(jié)構(gòu)對(duì)于額定電壓低于1700V的器件更有意義，因此不會(huì)成為SiC制造的公司的選擇。由于工藝IP使SiC制造復(fù)雜化，IDM將繼續(xù)主導(dǎo)生產(chǎn)。在成熟、完全折舊的硅晶圓廠中制造SiC已成為一種經(jīng)濟(jì)高效的模式，并將繼續(xù)向前發(fā)展。缺陷密度降低將使得更大的SiC器件電流額定值更接近Si的額定值。650至1700V SiC MOSFET的價(jià)格將比硅器件高1.5至2倍。然而，在汽車和光伏等主要應(yīng)用中，系統(tǒng)級(jí)成本節(jié)約將超過(guò)采購(gòu)SiC器件的成本增加。

編輯：黃飛