本文主要介绍作为硅材料的替代品，碳化硅与氮化镓在功率半导体中的应用。一、8 英寸碳化硅晶圆的出现
首先介绍一下已经常用的碳化硅晶圆，目前碳化硅8英寸晶圆已经实现量产。
什么是碳化硅
碳化硅(SiC)有什么特殊性质呢?我们已经了解到，它的两种构成元素碳(C)和硅(Si)都是元素周期表中的Ⅳ族元素，原子最外层电子数都是4个，可以形成牢固的共价键。所以碳化硅是一种非常稳定的化合物。
碳化硅的出现早于功率半导体
近年来，由于半导体业界对硅材料的极限感到担忧，于是纷纷把目光转向了碳化硅。但事实上碳化硅并不是刚刚出现的新事物。它和下一节要介绍的氮化镓(GaN)一样属于宽禁带半导体(Wide Gap Semiconductor)。
说起宽禁带半导体还得从硅说起。在硅的外围电子层中，电子在低能态时都处于价带中，当能量被激发后到达能量更高的导带(同时原来价带的位置留下了带正电的空穴)。价带（被没有激发的电子填满的能带，电子在这里无法自由移动）和导带（电子得到能盘后激发达到的能带，这里没有被填满，所以电子可以自由移动）之间称为禁带，意思是禁止电子在此存在，在这个能带区域里没有电子。硅的晶体的禁带宽度约为1.1~1.3eV(eV，电子伏特)，而碳化硅和氮化镓分别为 3.2eV和 3.4eV。学术界规定，禁带宽度大于2.3eV的半导体叫作宽禁带半导体。下图表示出了禁带的位置，并比较了硅和宽禁带半导体的区别。
半导体与禁带宽度示意图
本文在介绍各种半导体器件工作原理的时候，都没有提到半导体能带的概念，现在介绍材料的物理性质就不得不提到这一点，因为实在很重要。
宽禁带半导体具有很好的温度稳定性，因为环境的温度通常不足以将价带电子激发到导带。所以碳化硅可以工作在硅无法胜任的严苛环境中。例如航天器中的半导体器件，用碳化硅就比硅可靠得多。所以碳化硅半导体的应用其实已经有了很长的历史。当前功率半导体市场主要还是以硅材料为主，碳化硅只占市场份额的5%，未来还有很大的空间。碳化硅的晶圆主流还是6英寸，但8英寸也已经可以量产，正在推广。
碳化硅的多籽晶体结构
碳化硅晶体有多籽晶体结构，除了立方晶体以外，还有所谓的4H和6H结构。这里的H指Hexagon，即六方晶体。用于功率半导体的，通常就是这种4H或6H的结构，而且4H 的晶体是主流。具体是什么样的结构，想要说清楚有点难，这里就只能挑重点来说。请看下图，在碳化硅的晶体中，原子是按层排列，层层堆叠的，图中的一个小圆就代表了一个原子层中的某个原子。把这些原子层沿着c轴（纵向）方向堆叠起来，最常见的有两种方式，就是以四层为一个周期，或以六层为一个周期，就分别形成了4H 和 6H 两种结构。
碳化硅的 4H 和 6H 晶体结构
碳化硅的晶体用作半导体的时候，也和硅一样需要掺杂其他元素，以提高导电性。碳化硅的掺杂主要是采用 N 型掺杂。下一节再介绍碳化硅晶圆的制造工艺。下图中比较了硅、碳化硅、氮化镓三种材料的几个重要参数。之前曾经说过宽禁带半导体可以耐很高的电压。碳化硅和氮化镓的禁带宽度是硅的3倍，而绝缘耐压性是硅的 10倍，达到3.0MV/cm。氮化镓半导体普遍可以耐600V的高电压，而碳化硅的耐压性比氮化镓更高。
功率半导体材料物理性质比较
碳化硅的其他特点
碳化硅除了用作半导体以外，也是一种很好的精密陶瓷材料，具有良好的强度和耐热性。在半导体干法刻蚀这道工艺中的电极、变焦环(Focus Ring：在刻蚀工艺中，为了保证整个晶圆表面刻蚀的均匀性而设置在晶圆四周的环)，还有CVD设备中的基座（CVD 薄膜生长过程中，用来托举衬底的平台），都使用碳化硅。这些都是利用了碳化硅材料的高温稳定性，所以碳化硅是电子行业里非常受欢迎的材料。
二、碳化硅晶圆的制造方法
本节将介绍碳化硅晶圆的制造方法。碳化硅以及氮化镓晶圆的制造方法，都是与硅晶圆完全不同的。
薄膜结晶与块状结晶
从20世纪 80年代开始，主要是为了应对功率半导体的需求，碳化硅的结晶技术，从块状结晶到外延薄膜结晶都在不断进步。块状结晶和薄膜结晶的区别，我们在这里稍做说明，如下图所示。之前曾经介绍过硅结晶的方法，主要是先进行块状结晶(硅晶棒)，然后进行切片得到硅晶圆。而碳化硅以及下一章氮化镓的制造，与硅晶体的制造不同，都是薄膜结晶。
块状结晶与薄膜结晶图
升华法
块状结晶中，最古老的一种方法就是升华法。升华是指物质从固态(不经过液态)直接变成气态的物理过程。半导体制造行业中将这种方法称为升华法。在常压下，碳化硅不会出现液态，升华法正是利用了这个特性。如下图所示，把
升华法的原理示意图
石墨坩埚加热到 2400℃，将其中的固态碳化硅加热到高温，升华成气态，然后在上方的籽晶上重新凝结成晶向一致的固态单晶。籽晶以及上方的支架也必须达到2000℃。这里所使用的石墨坩埚，其主要成分是碳元素，遇到高温会析出的也是碳。而碳本身是碳化硅的组成元素之一，所以高温析出的碳并不会污染碳化硅。对比起以前说过的，用CZ法制备硅晶体时，石英坩埚中的氧会对硅晶体造成污染。
石墨(Graphite)，在日本称为黑铅。为何叫作铅，原因不得而知。其实石墨是碳的单质，里面是不含有铅这种元素的。
这样得到的薄膜结晶的晶向，是与籽晶的晶向一致的。这和第6章硅晶体里所说的一样。
在碳化硅结晶时，通常也需要混入一些杂质，来提高晶体的导电性，一般是掺入型杂质。另外这个方法需要提供很高的温度，如果坩埚体积太大，温度的均匀性就无法得到保证，从而影响薄膜晶体的质量。所以如何提高晶圆的尺寸，也是一个需要解决的问题
溶液生长法
升华法制造碳化硅的薄膜结晶，成本较高，缺陷也比较多。所以有人开始研究溶液生长法，这种方法还处于研究阶段。如下图所示，碳化硅在常压下不存在液态，但可以把硅放在碳质的坩埚中高温熔化，用碳质坩埚中析出的碳与硅进行反应，然后在籽晶上产生固态的碳化硅结晶。这种技术以后可能会得到更多的重视。
三、碳化硅的优点与研究课题有哪些
我们已经知道，碳化硅最引人注目的优点是与硅材料相比更耐高电压。本节将继续从材料的角度来看碳化硅的优点。
碳化硅的优点
正如我们一直以来所说的，碳化硅的应用，使功率器件不再受限于硅的极限，实现了性能的突破。还有一个优点是碳化硅器件的生产工艺，大体上可以继续使用原来硅器件的工艺。但其中也有缺点，比如不像硅那样可以有那么多掺杂物的选择，在 IGBT 器件的制造方面也有一定的困难。
由于碳化硅的绝缘耐压性几乎是硅的十倍(见下图)，所以在承受同样的极限电压的情况下，碳化硅材料的厚度只需要原来硅材料的 1/10。所以碳化硅器件的尺寸就可以比硅小很多，实现器件的小型化，如下图所示。
材料的进步带来功率半导体器件的小型化
还是关于绝缘耐压性，换个角度看，在同样的器件尺寸下，碳化硅的器件可以耐受比硅高 10 倍的电压，从而实现大功率高速开关电路的功能。碳化硅的耐热性也比硅更强，可以在更高的温度环境下工作。
碳化硅场效应管的制造
碳化硅的场效应管(SiC FET)也和硅基功率MOSFET一样，为了允许通过更大的电流，所以采用纵向的器件结构，充分利用晶圆的厚度方向。如下图所示，碳化硅场效应管也可以实现硅基 MOSFET的垂直双扩散结构。所以我们可以看到，器件结构相同时硅的工艺可以沿用到碳化硅上。
平面栅 SiC FET 的结构示意图
为了器件的小型化，沟槽型 SiC FET也已经得到了应用。硅的技术思路可以为碳化硅所用，如下图所示。
沟槽型 SiC FET 的结构示意图
重要挑战
当然，碳化硅也面临着严峻的挑战。其中之一，也是导通阻抗的问题。目前所得到的碳化硅晶体的导通阻抗，相比于理论的最低极限来说还是明显偏大。原因之一可能是在碳化硅上形成 SiO,绝缘层时，SiO2/SiC 之间会形成更多的界面态日。而在硅材料中，SiO2/Si之间的界面态（两籽晶体之间的界面上，由于晶格常数不匹配，产生了大量不饱和的悬挂键，这些悬挂键每个都缺少一个电子，因此会将沟道中自由移动的电子俘获。）没有那么多，如下图所示。
SiO2/Si界面态的示意图
由于这些界面态的存在，SiC的沟道中流动的载流子更容易被俘获，载流子的迁移率就受到了影响。目前碳化硅的结晶主要是4H 结晶。同一籽晶体结构的不同晶面，对载流子迁移率的影响程度也是不一样的，这是以后的研究课题之一。
四、实用性不断提升的碳化硅晶片
作为硅材料的替代品，碳化硅不断受到人们的关注。本节将介绍碳化硅器件替代硅器件进入实用化的一些案例。
SiC 的应用
SiC 的应用范围很广，首先来看利用其耐高温特性的例子。在汽车发动机领域，由于是高温工作环境，就可以发挥其耐高温的优点。关于电动汽车(EV)发动机的例子。发动机需要用到IGBT器件，当碳化硅取代硅之后，器件可进一步小型化，而且电力损失更低，因此非常利于环保。之前曾经说过，电动汽车中的电池是直流电源。汽车电池所提供的电力，首先要经过整流器进行升压或降压，再通过逆变器转换成感应电动机所需要的三相交流电。这需要经过升压和降压的过程。这里将要介绍的是升压、降压的具体原理以及电路。请看下图。
首先要通过场效应管等开关电路，把直流电压斩波(Chopper)变成一系列脉冲信号所谓斩波，就好像用一把刀，把连续的直流信号切碎成非常细小的片，每一片就是一个脉冲。然后利用这些脉冲信号进行升压、降压的操作。
升压、降压中的斩波原理
解释一下降压的过程，如下图(a)所示。电路中的电源是左侧的直流高电压EH，通过中间的开关电路(IGBT)、二极管、电感，最终从右侧输出低电压EL,提供给后面的负载。当IGBT导通时，二极管支路反向截止，EH对电感充电，电感产生反方向的感应电势，因此在右侧得到的EL,电压值比EH小。而当IGBT突然关闭，由于电感中的电流不会发生突变，于是会向右产生一个感应电势，也就是EL，并且这个感应电势也会使二极管正向导通，使电感、负载、二极管形成一个回路，E的电压值也会随着时间的推移被消耗变小。于是，当 IGBT按照一定的占空比(Duty Ratio)持续开关的时候，就会得到一定值的EL电压，这个电压小于EH。
升压的过程与降压相仿，如下图(b)所示，读者可以从电路分析的角度来考虑IGBT按照一定的占空比进行开关，就可以从小电压EL,得到大电压EH。无论是升压还是降压过程，都是利用 IGBT 高速开关对直流信号进行斩波来实现的。
斩波电路实现电压变换
下面看一下如何用逆变器把直流信号变成交流信号。如下图所示，左边的直流电源通过这样的电路变成三相交流电，来驱动感应电动机。变化的过程，简单来说，也是利用 IGBT开关作用，通过精密控制各个IGBT的开关时间，来决定流人三相电动机的电流时间以及方向，也就是三相交流电。具体过程这里不再展开，读者可参考专业书籍。图中所用的IGBT，需要并联一个续流二极管，这在以前也是提到过的，用来使器件快速关断。IGBT 与续流二极管如今都可以用碳化硅器件来代替。
逆变器电路控制三相电动机
最后看一下图，这里画的是各种功率器件的应用范围。更高的频率、更大的功率，这些要求都是硅基功率器件所不能达到的，但是碳化硅器件却可以胜任。后面所讲的氮化镓器件，也可以达到这样的要求。
碳化硅的应用范围示意图
五、氮化镓晶圆的难题
本节将介绍与碳化硅一样备受瞩目的氮化镓功率器件。
什么是氮化镓
从元素周期表看，氮化镓(GaN)是由亚族元素镓(Ga)与V族元素氨(N)构成的半导体，是具有代表性的Ⅲ-V族化合物半导体。氮化镓的禁带宽度高达3.39eV，因此与碳化硅一样，属于宽禁带半导体。
2014年，三位日本科学家凭借能够发出蓝光的氮化镓发光二极管，获得了诺贝尔物理学奖。如今大家熟知的蓝光光盘，正是借助氮化镓蓝光激光发射器来制作的。氮化镓半导体功能强大，可以实现蓝光紫外光波段的发射器和探测器，用作功率器件也具有超高频高效率、耐腐蚀、耐辐射等诸多优点，因此是21世纪电子信息产业最受关注的研究热点。另外，值得一提的是，氮化镓材料没有毒性，可以在各种器件中替代硅。
GaN 晶圆的制造方法
用于功率半导体的氮化镓单晶生长技术还不够成熟。仅仅2英寸的GaN单晶片，售价竟然高达 5000 美元。截至 2022年，才终于有厂家宣布实现了6英寸单晶量产。这显然无法满足产业界对 GaN 的强烈需求。
因此人们采用外延生长的方法，在硅晶圆上异质外延得到GaN层，来满足大尺寸GaN晶圆的需求。
外延生长包括同质外延和异质外延两种方式。同质外延(Homoepitaxy)是指基底材料与外延材料完全相同的外延。而异质外延(Heteroepitaxy)就是在基底上生长出与之不同的外延材料。但是提起外延生长，一般默认的还是同质外延。
可以参考下图。以硅晶圆为基底进行同质外延，由于外延层也是硅，两籽晶体的晶格常数一致，就不会产生晶格畸变等问题。而如果进行异质外延，由于外延层的原子与基底原子不同，晶格常数也不一致，所以必定会产生晶格畸变。如图所示，硅的晶格常数与氨化镓的晶格常数并不一致。为了使两者能匹配，关键就是要先生成一层低温缓冲层(Bufer)，缓冲层的晶格常数必须介于硅和氮化镓之间，来缓解晶格畸变的现象。通常在硅和氮化镓之间作为缓冲层的，是铝镓氮(ALGaN)材料。
外延生长的示意图
GaN 功率半导体所面临的挑战将在下一节介绍。但这里可以先说一下，就是在硅的基底上外延出的 GaN 晶圆，在器件制造方面会受到严重的制约。
用于功率器件的 GaN 一般采用硅基材料进行异质外延，而用于制造其他半导体器件时，也可以在蓝宝石(AL2O3)基底上进行外延。
六、氮化镓的优点与挑战
与碳化硅一样，氮化镓具有更高的开关频率、耐高电压的优点，成为功率器件领域取代硅材料的又一理想选择。本部分将介绍氮化镓器件在材料方面所面临的技术困难。
器件方面的困难
氮化镓与碳化硅一样，可以取代硅获得器件性能的突破，并且可以继承硅器件的许多工艺方法。但也面临着掺杂物、器件结构方面的困难。
首先，GaN无法实现纵向器件结构。目前通行的GaN的各种功率器件，都是向结构。原因就是之前所说的，因为现在的GaN 晶圆都是在硅晶圆上外延生长出来的，如果采用纵向器件结构，背面就不再是 GaN 而是硅材料，性能将完全不一样。
当然，如果使用昂贵的GaN单晶材料，也是可以实现纵向器件结构的，而且输出功率可以高达10kW以上。因此，如果把GaN功率器件应用到诸如电动汽车产品中，主机系统可以采用大功率的纵向器件，而辅机系统可以用小功率的横向器件，这是许多电动汽车厂家的设想。至于什么是主机、辅机系统。横向和纵向结构器件，都在下图中给出了示意图。需要再次说明的是，横向结构器件是在硅基底上异质外延出 GaN，两者之间有一层缓冲层(Bufer)。下图中i-GaN 是指没有进行任何 N 型或P型掺杂的本征 GaN 材料，字母i代表了Intinsic，表示固有的、本身的。为了使源极漏极的金属电极与半导体实现欧姆接触，还要在GaN的上面外延出一层N型掺杂的AIGaN 层。
横向和纵向结构 GaN 器件示意图
GaN 的场效应管也面临器件可靠性的问题。在电动汽车这样的应用领域，对器件可靠性的要求比其他应用领域更高。
其他课题
电流崩塌(Collapse)是CaN所面临的一个比较重要的问题，尤其是在HEMT(高电子迁移率晶体管)器件中。具体来说就是当氮化镓功率器件在低电压下工作时，导通电阻较小，而在高电压下工作时，导通电阻却大大增加。这是由于当器件的源极与漏极之间存在高电压时，沟道中的电子能量更大，更容易隧穿上方的AIGaN层，而被 AIGaN 与表面保护层之间的界面态所俘获。因此沟道中的载流子浓度就大大降低，导通电阻提高了。
下图解释了这个现象。功率器件总是会存在各种各样的电力损失，但还是应当设法避免。解决方法也许在于表面保护层的制造工艺上。
电流崩塌现象
七、氮化镓常闭型器件的挑战
本部分将介绍GaN 功率器件中所面临的技术性难题。其中之一就是常闭型MOSFET的实现，这是 GaN 材料所独有的难题。
无法截止的困难
首先，什么是常闭型(Normallyo)?可能许多读者并不知道这个概念。在解释之前，我们顺便再提出它的反面，也就是常开型(Normallyon)。把两者一起进行比较。所谓常闭型 MOSFET，就是栅压为0V 时，沟道不导通，器件处于截止状态的 MOSFET就像自来水，拧开水龙头就流出水，平时水龙头拧紧了就不会有水流。如果把这种 MOSFET的栅压 V。和漏极电流 1,的关系画成曲线(亚阈值曲线)，就会如下图(a)所示。这个曲线可以预测栅压增加时，器件的导通电流变化情况。对于常闭型器件来说，当栅压为 0V 时，导通电流为0，器件处于截止状态。而对于常开型器件，在栅压为 0V 的时候，导通电流却不是0，沟道中已经有电流的存在。这就像水龙头已经关到最紧，可是依然有水流出来，造成浪费。
常闭型与常开型 NIOSFET 的亚阈值曲线
为何会出现常开型?可能和 GaN 的物理性质有关。简单来说，CaN相比于Si，沟道中二维电子气的密度非常高，有利于沟道的导通。即使不加栅压，沟道中也有非常多的电子存在，使沟道呈现导通的状态。我们用下图来说明这个问题。
常开型器件的成因
常闭型器件的优点
对于功率半导体来说，高速开关特性是它最重要的作用。前面讨论的各种应用都是建立在器件能自然关闭，也就是常闭型的基础上的。例如，GaN 用在电动汽车逆变器上时，无论是从电路的简化，还是从失效安全的角都要求使用常闭型器件。直流整流电路中，也要求使用常闭型器件。
实现常闭型 GaN 器件的对策
GaN 功率器件天生容易形成沟道，所以要实现常闭型器件，就必须在器件结构上想办法。比如可以提高阈值电压(使导通电流等于0时的栅压，在常开型器件中值电压是负值)。为此解决办法之一是缩短栅极与沟道之间的间距，也就是在 n-AIGaN 层上形成一层凹槽(Recess)。
下图展示了这种凹槽结构。当然，实现工艺是复杂的，但这方面所开展的研究也非常多。除了凹槽结构，还有其他方法可以实现常闭型器件，这里就不一一列举了。
凹结构的 GaN 功率器件
GaN 的魅力
在功率半导体以外，GaN 也有许多用途。例如利用其高频特性而研发的HEMT(高电子迁移率场效应管)高速器件，移动 WiMax技术中用于通信的高速放大器件等。前面也说过，GaN 发光二极管可以实现蓝紫光发光，也可以制作短波长激光器读取蓝光(Blue-ray)光盘。总之，GaN用途广泛，是目前半导体领域关注的焦点。
八、晶圆生产企业的动向
本部分将介绍面向功率半导体的 SiC 和 GaN 晶圆生产企业的发展情况，并作为参考。
克服成本问题
SiC 和 GaN 的材料性能虽然非常有吸引力，但晶圆制造一直是难以解决的问题。SiC晶圆的成本一直都很高。虽然已经实现了一定程度的量产，但与硅晶圆相比还是过于昂贵。4英寸SiC晶圆甚至卖到过每片30万日元。市场供货量少，所以价格也居高不下。目前6英寸晶圆已经开始实用化，8英寸也在研发中。
SiC 晶圆激烈的商业竞争
不同于硅晶圆的市场，SiC 晶圆目前是美国科锐(Cree)一家独大。高额利润吸引着其他企业也在不断加人，尤其是一些风投企业也在试图进入市场。
可以举个例子，日本一家以化工为主业的企业，收购了其竞争对手某金属大厂(同时也是硅晶圆生产大厂)的全部 SiC晶圆相关资产，打人了Sic市场，足可见这个市场巨大的吸引力。当然同行业之间合作的现象也是有的，感兴趣的读者可以关注一下行业新闻。电动汽车企业对 SiC基的 IGBT 器件兴趣正浓，因为 SiC良好的耐热性，非常适合于车用逆变器的制造。日产、丰田、电装(Denso)等电动汽车相关企业，实现了SiC功率半导体的内制化，进行自主研发。电动汽车企业的这种内制化的趋势，以及风险企业的积极参与，使整个行业充满了流动性和活力。
这些虽然只是一些个例，但从中不难看出 SiC 晶圆的市场现状。这与当年硅晶圆市场很像，一开始有大量的企业涌人参与，但谁能笑到最后犹未可知。今后SiC的市场动向值得更多的关注。
GaN 晶圆市场的动向
GaN 晶圆市场的参与者目前也非常多。当然，这些企业并不是生产GaN 单晶晶圆，而是在硅晶圆上外延生长 GaN。
这种外延晶圆已经达到了6英寸工艺水平。但目前来看，GaN在蓝光LED的市场，要比功率半导体市场更为主流。而电动汽车相关企业也在考虑将aN单晶制造(注意这里是 CaN 单晶，而非前面所说的硅基外延 GaN 晶圆)进行内制化。
下图列出了 GaN 功率半导体晶圆可预期的市场和领域，以供参考。
功率器件市场规和 GaN 的应用领域
参考文献：
1.[美]B.Jayant Baliga 著，韩郑生 陆江宋李梅等译，功率半导体器件基础，电子工业出版社；2.【日】佐藤淳一，曹梦译，图解入门-功率半导体基础与工艺精讲（原书第2版），机械工业出版社；3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社。内容来源：爱蛙科技编辑整理
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