集微公开课第十七期：精益求精！基本半导体的SiC功率器件探索之路

作者： Lane 2020-05-28

来源：爱集微 #集微公开课# #SiC#

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5月28日（周四）上午10:00，第十七期公开课邀请到基本半导体技术营销总监魏炜，带来了以《碳化硅功率器件技术及可靠性讨论》为主题的精彩演讲。

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随着碳化硅（SiC）功率器件的出现，半导体器件性能也获得极大提升，从而极大促进了电力电子行业的发展。据Yole预测，到2023年SiC功率器件市场规模预计将达14亿美元。在此背景下，SiC器件也获得了越来越多国内厂商的青睐，许多企业加大了对SiC器件技术的投入，力图抢占风口，获得竞争优势。

深圳基本半导体有限公司（下文简称“基本半导体”）便是在SiC领域进行探索的佼佼者之一。作为中国第三代半导体行业领军企业，基本半导体专业从事碳化硅功率器件的研发与产业化，掌握国际领先的碳化硅核心技术，研发覆盖碳化硅功率器件的材料制备、芯片设计、制造工艺、封装测试、驱动应用等产业全链条，先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、首款国产通过工业级可靠性测试的1200V碳化硅MOSFET、车规级全碳化硅功率模块等系列产品，性能达到国际先进水平，应用于新能源、电动汽车、智能电网、轨道交通、工业控制、国防军工等领域。

开场后，魏炜首先介绍了SiC材料的产业情况及可靠性概况。作为一种优质的半导体材料，SiC从原始材料到制成器件需要经历从粉末、晶锭、衬底、外延片、硅晶圆、硅芯片、器件封测到电力电子模组等一系列制备环节。

其中，作为这一过程中的关键元器件，SiC衬底也经历了漫长的发展。从1990年代的2inch发展到2016年的6inch，目前8英寸衬底已有样品。

而在SiC器件的发展情况方面，2015年起，SiC器件生产线已逐步从4寸线转向6寸线，国际上单极型的600V-1700V级4H-SiC JBS和MOSFET已实现商业化，2019年，CREE公司宣布将建设8寸碳化硅产线，成为SiC器件发展的标志性事件。

随后，魏炜着重介绍了SiC器件价值链中衬底、外延、晶圆、器件封测4个最关键环节。同时，魏炜也介绍了SiC单晶的特点。他表示，SiC单晶有多达250余种同质异构体，但用于制作功率半导体的主要是4H-SiC单晶结构。而在生长SiC单晶时，如果不做精确的控制，将会得到其他的SiC晶体结构（3C，6H，15R等结构）。“这是我们需要极力避免出现的情况。”魏炜强调。

在介绍升华PVT、HT-CVD、LPE(溶液生长法)三种SiC单晶晶锭制备方法时，魏炜指出，95%的商用SiC晶锭都是用PVT法生长的，随后他详述了这一单晶晶锭生长技术，以及这一方法的缺陷问题。

为了弥补SiC 衬底片存在的缺陷，魏炜随后介绍了衬底的保护层——外延层。“外延层消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面或近表面的缺陷。”魏炜介绍到，SiC 外延层的常用生长工艺为化学气相沉淀法（CVD）。

不过，即便作为一种保护材料，外延层本身也会SiC的外延层也包含表面形貌缺陷、微管缺陷、位错等主要缺陷。魏炜介绍了这些缺陷与衬底片缺陷的关联关系。

最后，魏炜概括了SiC的两大挑战：一方面是SiC衬底需要更加成熟的一个生长技术来扩大尺寸，降低价格；另一方面则是SiC质量方面的问题。

在第二部分中，魏炜则介绍了芯片研发环节的可靠性。区别于质量是指衡量器件在当前是否满足规定的标准要求这一定义，魏炜表示，可靠性是衡量器件寿命期望值，也就是可以通过可靠性结果计算器件需要多久持续满足规范要求。

随后，魏炜详细介绍了可靠性试验的定义、特点、类别。目前，针对SiC器件的可靠性试验，目前基本半导体已经进行并拥有了HTRB （高温反偏）、HVH3TRB（高压高温高湿反偏测试）、TC（温度循环测试）、AC/PCT（高温蒸煮测试）、IOL（间歇工作寿命测试）、HTGB（高温门极偏置测试）等可靠性试验方法。

“基本半导体一直按照较高的标准进行器件的可靠性验证。”魏炜表示，工业级产品可靠性验证通常选取样品数为22，基本半导体将样本数按照汽车级（AEC-Q101）的要求提高到77片，并定义为企业标准，而实验标准更严苛；同时，按照工业标准JESD22-A101, H3TRB对被测对象的反压最高只有100V。“基本半导体认为这是不够严苛的，因此将施加的反压提高到80%BV，即对1200V器件，施加960V的反压。”魏炜指出。