半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一共分三個階段,第一代半導(dǎo)體材料是硅(Si),第二代半導(dǎo)體材料是以GaAs和SiGe為代表的微波器件,而現(xiàn)在最熱門的是第三代半導(dǎo)體材料是寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN和SiC,相較前兩代產(chǎn)品,性能優(yōu)勢顯著并受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評。第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點,因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機(jī)”。發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體主要是SiC和GaN,其中SiC的發(fā)展更早一些。
功率半導(dǎo)體圍繞著硅(Si)發(fā)展了半個世紀(jì),一直在BV和Ron之間博弈,也是一個功率器件最基本的門檻。這兩個參數(shù)一個決定了器件的極限(BV)一個決定了器件的性能(Ron),這就如同魚和熊掌不可兼得。而在BV的提升上面,主要考慮有源區(qū)(Active)和場區(qū)(Field),而Active區(qū)的擊穿電壓自然就是靠PN自己了,沒其他辦法,而場區(qū)也是最后器件電場線集中收斂的地方,這個區(qū)域的電場會很強(qiáng),因此很容易在這里擊穿,所以如何提高終止區(qū)的擊穿電壓成了硅基功率器件的重點,當(dāng)然發(fā)展了這么多年最行之有效也是最成熟的方法就是保護(hù)環(huán)(Guard Ring)和場板(Field Plate)或者搭配來實現(xiàn)終止區(qū)的耗盡區(qū)寬度進(jìn)而降低表面電場,使得擊穿盡量發(fā)生于Active區(qū)的PN結(jié)。理論上只要這兩道環(huán)設(shè)計的好,都能使得器件的擊穿電壓達(dá)到理想的PN結(jié)擊穿電壓。但是即便如此,受限與硅材料本身的特性,他的擊穿電場也是要受限于他的禁帶寬度(Eg)的,所以硅基的功率器件在1000V以上的應(yīng)用時候就顯得非常吃力,而且制造成本和可靠性等等都非常高,急需要尋找一種寬禁帶半導(dǎo)體材料來獲得更高的擊穿臨界電場以及電子遷移率,而目前這種材料就是SiC和GaN這兩種材料。
話說新材料找到了,但是要全面取代硅基還是很困難啊,畢竟硅基器件的襯底和制造技術(shù)已經(jīng)很成熟,價錢就可以秒殺你。所以在高壓高功率的市場,一直存在著硅基功率器件和SiC/GaN的市場爭奪戰(zhàn),其中硅基最得意的作品就是Si-IGBT和Super-Junction了。
繼續(xù)討論SiC和GaN吧。
1、襯底片生長(Crystal Growth):這是最基本的,就如同硅基在70年代一樣,如果沒有單晶襯底片,所有的制造業(yè)都是白談,即使硅基的Si-ingot到目前為止全世界也只有5家可以拉單晶啊,可想而知多難!到了SiC和GaN那就更難了,幾乎這就是主要制約這個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
1)SiC制備:先說說SiC的結(jié)構(gòu)吧,大家應(yīng)該經(jīng)??吹?H-SiC和6H-SiC,這是指他的堆疊層數(shù)。我從頭講起吧!首先,SiC都是第四主族的元素,所以每個Si和每個C剛好一一配對形成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu),每個Si外面四個C,而每個C外面也是4個Si。從結(jié)構(gòu)上看,如果你正對Si面看下去的話,背面被擋住了一個C,所以你還能看到三個C,相同的情況,如果你正對著C面看下去,背面也被擋住一個Si,所以你還可以看到3個Si。因為一個C配一個Si,而剛剛說的不管從哪個原子看過去都可以看到三個另外原子,所以最好的晶體排布方式就是六邊形結(jié)構(gòu),也就是書上說的六方最密堆積(HCP: Hexagonal Close Packing),如果不熟悉的話大家一定知道體心立方(BCC)和面心立方(FCC)吧,跟他差不多,也是一種晶體結(jié)構(gòu)而已)?,F(xiàn)在開始排布,第一層為A的球代表了雙層Si和C的結(jié)構(gòu),那么下一層根據(jù)共價鍵的價鍵結(jié)構(gòu)可以有兩種分布,分別是B和C。而且A的下面一層只能是B或者C,不能是A自己,B和C也一樣。所以這就有了多少種組合?ABA、ACBA、ACABA、ACBACBA,分別對應(yīng)2H、3C、4H和6H了,而這個數(shù)字呢就是代表下一次重復(fù)前堆疊的層數(shù)而已,而目前SiC的功率半導(dǎo)體都是用4H-SiC或者6H-SiC,主要原因是他可以拉出比較大的wafer而已。
這個結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了,關(guān)鍵怎么制造出來呢?和Silicon一樣,CZ直拉的,但是條件非常非??量?。第一個是Seed,我們硅Ingot的拉單晶所需的seed很小,wafer的直徑和seed大小無關(guān),但是SiC的seed直徑直接決定了final wafer的直徑,所以seed必須很大。
其次是反應(yīng)條件,溫度已經(jīng)不是Silicon的1400C了,而是2300C,所以加熱系統(tǒng)已經(jīng)是RF coil,且坩堝替換成了石墨(graphite)。他其實是一種物理氣相沉積(PVD),只是他不是Sputter的而是加熱沸騰然后冷凝到seed表面形成的ingot而已。生長速率只有1mm/hour,所以可想而知SiC的價格多貴了吧,而且目前尺寸只能做6寸,主要是受wafer表面的溫度均勻性限制,而且doping level沒辦法做高,如果要想用high doping的SiC襯底,必須要用CVD EPI的方式來重新生長(1400C~1600C, 3um/hour, SiH4+H2+CH4+C3H8, etc),而且doping的元素主要是Al和Boron為P型,而Nitrogen和Phos為N型。如果是離子注入(Ion Implant)的方式來doping的話,會引入晶格損傷,而這種損傷很難消除,必須要用高溫離子注入(High Temperature Implanter: 700C)以及高溫退火(1200C~1700C)才能緩解和消除,這就是process里面最大的挑戰(zhàn)!
2) GaN襯底:GaN主要都是MOCVD或者分子束外延(MBE)在襯底上長一層GaN而已,但是對于襯底的選擇很重要,如果是作為功率的switch器件,都是選擇GaN-on-Si,如果是用作RF的話,就需要選擇GaN-on-SiC,顯然后者受襯底依耐比較大,僅限于6寸晶片。至于他是怎么外延的,為什么要有成核(neuclization)和buffer層等等,必須要先懂他的器件原理才能理解,后面講器件的時候一起講吧。
審核編輯 黃昊宇
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半導(dǎo)體
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