日本碳化硅学术界骨干牵头撰写《碳化硅半导体技术与应用》（原书第2版）

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◆名人推荐◆

推荐序二功率半导体器件是各类电力电子设备的核心器件，在新能源发电、直流输电、灵活交流输电、有源配电网、电动汽车及其充放电、轨道交通、电源、电机驱动和消费电子等领域得到越来越广泛的应用。由于功率半导体器件在电力电子设备的性能效率和成本方面起着决定性的作用，因而得到全球产学研各界的高度重视并大力投入研发，使其成为半导体产业快速成长的一个重要技术领域。在功率半导体器件的发展历程中，硅基器件一直是其主流技术，经过过去几十年的研发和应用迭代，其性能得到了持续不断的提升和改善，为各时期电力电子技术的发展起到决定性推动作用。

然而，由于硅材料物理特性的局限性，在满足电力电子设备对器件更高耐压、更大电流密度、更高结温、更高开关频率、更高开关速度和更低损耗的发展要求方面难以达到令人满意的程度。而宽禁带半导体中，碳化硅材料的禁带宽度是硅的3倍，击穿场强是硅的10倍，热导率是硅的3倍，碳化硅器件的理论耐压可达硅基器件的10倍，开关频率可达硅基器件的10倍。采用碳化硅器件的电力电子装置，能够减轻重量，提高功率密度，增强适用性；降低损耗，提高效率，提高经济性。凭借这样的优良性能，碳化硅功率半导体技术自20世纪80年代以来已成为功率半导体领域的主要研发方向，并取得长足进步，目前已在电动汽车等领域初步得到应用，在能源转型大趋势推动下，今后必将在新型电力系统的发输变配用各个环节以及轨道交通、变频驱动等工业领域得到广泛应用。我国“十三五”期间在该领域开展了大量研发工作，部分研究成果已经达到或接近国际先进水平，但整体上还存在差距，需要广泛学习借鉴全球范围的优秀研发成果和经验，持续不断扎实努力开展深度研究开发和应用迭代，相信通过“十四五”期间的研发投入，我国在该领域的研发和应用的整体水平将会得到大幅提升。

本书是以日本碳化硅学术界元老京都大学名誉教授松波弘之牵头，由日本碳化硅领域产业、高校、研究机构的专家学者参与，在总结各自研究领域多年研究成果和经验的基础上撰写完成的一部学术专著。本书的写作秉持技术为主导、应用为目标的指导思想，内容涵盖碳化硅单晶生长、外延生长、评估表征、芯片工艺、器件设计各环节的技术关键点，从理论到技术分层次深入浅出做出阐释，对碳化硅逆变器的应用给出实例，对碳化硅器件在各工业领域的应用前景做出展望。

当前，我国碳化硅功率半导体产业处在蓬勃发展阶段，本书的翻译出版对我国宽禁带（国内也称为第三代）半导体产业的发展具有积极的促进意义，可谓恰逢其时。本书适合碳化硅材料、芯片、器件和应用相关的从业人员和投资领域人士阅读参考。希望在不久的将来，随着我国碳化硅技术和产业的发展，也能看到我国科技工作者基于碳化硅研发积累所总结撰写的技术专著。中国电机工程学会电力电子器件专委会主任委员2022年3月7日

◆图书简介◆

以日本碳化硅学术界元老京都大学名誉教授松波弘之、关西学院大学知名教授大谷昇、京都大学实力派教授木本恒畅和企业实力代表罗姆株式会社的中村孝先生为各技术领域的牵头，集日本半导体全产业链的产学研各界中的骨干代表，在各自的研究领域结合各自多年的实际经验，撰写了这本囊括碳化硅全产业链的技术焦点，以技术为主导、以应用为目的的实用型专业指导书。

书中从理论面到技术面层次分明、清晰易懂地展开观点论述，内容覆盖碳化硅材料和器件从制造到应用的全产业链，不仅表述了碳化硅各环节的科学原理，还介绍了各种相关的工艺技术。本书对推动我国碳化硅半导体领域的学术研究和产业发展具有积极意义，适合功率半导体器件设计、工艺设备、应用、产业规划和投资领域人士阅读，也可作为相关专业高年级学生的理想选修教材。

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目录
推荐序一
推荐序二
译者序
原书前言
原书编委会成员
原书作者名单
第1章碳化硅（SiC）技术的进展
1.1发展的历史背景
1.2台阶控制外延生长模式的发明（SiC技术的大突破）
1.3SiC衬底结晶的研发进展
1.4运用于功率半导体的前景
1.5肖特基二极管的产业化
1.6晶体管的产业化
1.7功率器件模块
第2章SiC的特征
第3章SiC单晶的晶体生长技术
3.1SiC晶体生长的基础
3.2升华法
3.2.1使用升华法生长大尺寸SiC晶体
3.2.2RAF生长法
3.3液相法
3.3.1通过添加金属溶媒的SiC单晶液相生长
3.3.2在六方晶衬底上进行3C-SiC液相生长
3.3.3MSE法
3.4气相法
3.4.1气体生长法
3.4.2Si衬底上生长3C-SiC厚膜
3.5SiC晶体生长工艺的仿真模拟技术
3.5.1升华法生长单晶的仿真模拟
3.5.2横向热壁CVD生长模拟
第4章SiC单晶衬底加工技术
4.1SiC单晶多线切割
4.1.1加工设备以及工具
4.1.2各种加工方式的优缺点
4.2SiC单晶衬底的研磨技术
4.2.1粗加工
4.2.2精加工
4.2.3双面CMP
4.3SiC单晶的新加工法
4.3.1CARE法
4.3.2放电加工法
第5章SiC外延生长技术
5.1SiC外延生长的基础
5.2SiC外延生长技术的进展
5.2.1SiC外延层的高品质化
5.2.2SiC外延层的高速生长
5.3有关SiC外延生长中晶体缺陷的研究
5.3.1扩展缺陷
5.3.2点缺陷
专栏：石墨烯
第6章SiC的表征技术
6.1SiC的物理性质评价
6.1.1光致发光
6.1.2拉曼散射评估
6.1.3霍尔效应
6.1.4载流子寿命测量
6.2SiC的缺陷评估
6.2.1采用化学刻蚀评估位错
6.2.2X射线形貌法下的位错、堆垛层错缺陷等的评估
6.2.3深能级评估
6.2.4电子自旋共振（ESR）下的点缺陷评估
专栏：晶圆成像评估
第7章SiC的工艺技术
7.1离子注入
7.1.1维持SiC表面平坦化
7.1.2低电阻n型区的形成
7.1.3低电阻p型区的形成
7.1.4离子注入的Al与B的分布控制
7.2刻蚀
7.2.1反应等离子体刻蚀
7.2.2高温刻蚀
7.2.3湿法刻蚀
7.2.4刻蚀形状的控制
7.3栅极绝缘层
7.3.1MOS界面基础与界面物理性质评估法
7.3.2热氧化膜
7.3.3沉积氧化膜
7.3.4高相对介电常数绝缘膜
7.4电极
7.4.1欧姆电极
7.4.2肖特基电极
专栏：MEMS
第8章器件
8.1器件设计
8.1.1漂移层的设计与导通电阻
8.1.2器件的功率损耗
8.2模拟实验
8.2.1功率器件的等比例缩小和巴利加优值
8.2.2SiC功率器件模拟的收敛问题
8.2.3SiC的碰撞电离系数的各向异性
8.2.4SiC器件的终端结构
8.3二极管
8.3.1pn结二极管
8.3.2肖特基势垒二极管
8.4单极型晶体管
8.4.1DMOSFET
8.4.2沟槽MOSFET
8.4.3DACFET
8.4.4IEMOSFET
8.4.5JFET
8.4.6嵌入沟槽型SiC JFET
8.4.7SIT
8.5双极型晶体管
8.5.1BJT
8.5.2晶闸管，GCT
8.6高输出功率、高频率器件
8.6.1晶体管
8.6.2二极管
专栏：绝缘栅双极型晶体管
第9章SiC应用系统
9.1SiC器件在电路工艺上的应用
9.1.1SiC功率器件的应用领域以及电路设计
9.1.2电路小型化的SiC功率器件应用
9.1.3SiC功率器件在电路上的应用实例
9.2在逆变电路上的应用（1）：通用逆变器
9.2.1通用逆变器主要结构
9.2.2逆变器单元设计、试制示例
9.3在逆变电路上的应用（2）：车载逆变器
9.3.1车载逆变器的构成
9.3.2车载逆变器对功率半导体性能的要求以及
对SiC的期待
9.3.3SiC逆变器的车载实例
9.3.4车载SiC逆变器今后的研究课题
9.4在逆变电路上的应用（3）：铁路用逆变器
9.4.1铁路用逆变器与功率器件
9.4.2铁路用逆变器的电路结构
9.4.3铁路用逆变器上的SiC器件应用
9.5在逆变电路上的应用（4）：电力用逆变器
9.5.1使用SiC二极管的混合结构逆变器与电力稳定装置
9.5.2SiC MOSFET构成的太阳能电池并网用三相逆变器
9.5.3带有应对瞬时电压下降功能的负荷平衡装置用
高过载三相全SiC逆变器
专栏：高耐热模块
第10章各领域SiC应用前景
10.1新能源汽车
10.1.1汽车行业的外部环境
10.1.2丰田HV的过去、现在和将来
10.1.3新HV
10.1.4对SiC产业今后的期待
10.2太阳能发电
10.2.1光伏逆变器
10.2.2对下一代功率半导体的期待
10.3电源，UPS
10.3.1直流电源
10.3.2UPS
10.4铁路
10.4.1铁路列车半导体电力变换装置概要
10.4.2铁路电气化方式
10.4.3主电路用逆变器
10.4.4交流电气化区域的主电路
10.4.5SIV
10.4.6变电站
10.4.7市场规模
10.4.8SiC化的动向
10.5家电
10.5.1家电领域的电力使用
10.5.2电力电子家电的变迁及SiC的萌芽
10.5.3家电的逆变器与功率半导体
10.5.4SiC器件的前景
10.6电力
10.6.1功率半导体器件的电力系统适用实例及SiC适用效果
10.6.2智能电网

译者序

很庆幸在日本半导体行业内非常畅销的《半導体SiC技術と応用第2版》在机械工业出版社的支持下得以引进、翻译并出版了中译本。原书在日本碳化硅学术界元老级人物松波弘之和碳化硅界代表性人物大谷昇、木本恒畅、中村孝等四人的牵头下，汇集了当今日本各大半导体研究机构和企业相关的碳化硅技术专家，以实际研究经验编写了这本学术专著。从单晶、外延、器件到模块，全方位描述了碳化硅的基础理论知识，阐述了碳化硅的各种研究方法和发展方向，图文并茂、数据充足，衷心希望此中译本能为国内相关从业人员的研究工作提供一些借鉴和参考。

本书得以顺利出版，也得到了国内众多企业的友情赞助，在此表示由衷的感谢。他们是：上海翱晶半导体科技有限公司、山东天岳先进科技股份有限公司、瀚天天成电子科技（厦门）有限公司、汉民科技（上海）有限公司、中电化合物半导体有限公司、飞锃半导体（上海）有限公司、北京天科合达半导体股份有限公司、深圳基本半导体有限公司和巍巍博士以及瑟米莱伯贸易（上海）有限公司。

另外，本书在最终的校核过程中，也得到了中国科学院大学集成电路学院的葛念念、卢文浩、王开宇等同学的友情支持，在此一并表示衷心的感谢。本书的翻译人员以普及碳化硅专业知识和推动国内碳化硅事业发展为目的，利用各自的业余时间做出了无偿的奉献。为了尽可能保证原汁原味，采用了多人多次重复审定的方法，但因为水平所限，一些瑕疵无法避免，还请广大读者予以理解和支持。译者

推荐序一

2011年出版的《半導体SiC技術と応用第2版》（日刊工业新闻社出版，共534页）的中文翻译版能够在中国机械工业出版社成立70周年之际特别出版，对此我感到非常高兴。

初版（共282页）是2003年我于京都大学退休时作为纪念而出版的，以我在京都大学多年来的SiC研究成果（晶体生长、物性评估、器件工艺、电子器件等）为核心，邀请日本在同一领域进行研究、开发的人员执笔完成。基于行业的显著发展，8年后的第2版由4人共同组织撰写。我抱着强烈的对研磨材料、耐火砖材料的SiC作用于电力电子材料领域的研究志向，1968年开始在京都大学对此进行了相关的研究。那时Si刚刚成为半导体材料界的主角，市场上还没有SiC衬底，SiC器件也就无从谈起。高品质的SiC外延生长是其中不可或缺的环节，即便是大学研究我们也是从Si衬底上采用CVD方法开始制造SiC材料。由于两种材料的晶格失配度为20%左右，为了生长出高品质的SiC外延层，我们花费了10年以上的时间。

在此基础上，我们于1986年研发出了世界上首款3C-SiC MOSFET器件，于1987年发明了能够获得高品质单晶的“台阶控制外延生长法”，目前已成为了全球的标准生长法。1995年，我们成功研发出了高性能4H-SiC肖特基二极管；1999年，我们提出了业界攻关难点的4H-SiC MOSFET器件的性能改善方案。这些SiC的研发成果在日本的研究人员和技术人员的广泛推广下，已经实现了大量的商品化，在社会实用化方面也在不断推进。本书对上述过程进行了记录。今后，SiC一定能在实现“可持续发展目标（联合国SDGs）”和实现“碳中和”的事业中发挥核心作用，希望通过年轻一代的努力，实现“低碳节能”的目标。展示基础研究的重要性以及能够造福社会的研究成果是非常重要的。松波弘之

作者简介

松波弘之1962年毕业于京都大学工学部，1970年获得工学博士，1976—1977年担任美国北卡罗莱纳州立大学客座副教授，1983年担任京都大学教授，2003年退休后担任京都大学名誉教授。专业：半导体材料工程学。

大谷昇1984年完成东京工业大学物理学硕士课程，2008年担任日本关西学院大学教授。专业：碳化硅半导体材料的晶体生长以及缺陷物理学。

木本恒畅1986年毕业于京都大学工学部。1988年进入住友电气工业公司伊丹研究所工作。2006年至今，担任京都大学教授。专业：半导体材料，器件。

中村孝1990年进入罗姆公司，进行大规模集成电路的工艺开发。1996年获得京都大学工学博士学位。2003年至今，从事碳化硅功率器件开发工作。

译者简介

司马良亮，日本Ceramic Forum株式会社高级合伙人、上海翱晶半导体科技有限公司创始人兼总经理。1993年毕业于日本筑波大学研究生院；在国内碳化硅领域工作十余年，目前主要在中日两国间从事碳化硅材料及相关设备的推广及技术服务工作。

许恒宇 工学博士，任职于中国科学院微电子研究所、中国科学院大学研究生导师。2006年本科毕业于四川大学微电子学专业，同年留学日本；先后于日本德岛大学、大阪大学和新日本无线株式会社开展碳化硅等宽禁带半导体器件研究。长期以来一直从事碳化硅器件的仿真设计、工艺研发及整合和可靠性失效机理分析等科研工作，同时在碳化硅器件的产业化方面具有丰富的经验。

原书前言

如今，由硅（Si）制作的功率半导体材料广泛应用于各种各样的电力电子设备，但其在物理特性上已经达到极限，无法满足更高的性能需求。在社会广泛讨论解决地球环境问题、减少二氧化碳排放的背景下，能够实现大幅节能的碳化硅（SiC）功率半导体得到了全球广泛的关注，即将进入实际的应用阶段。

SiC是由硅元素与碳元素1∶1组合而成的化合物，其临界击穿场强、耐高温性能、热传导性均为Si的数倍，作为一种远胜于Si的功率半导体材料备受期待。但SiC的单晶生长较为困难，在品质上存在很多问题，导致在实际应用上存在着一定壁垒。

近些年来，随着单晶生长方法以及晶片与器件化技术的发展进步，原材料、器件制造厂商等也朝商用化方向取得了极大进展。因此，发挥SiC出色的性能，使低损耗、高速、耐高温、小型及冷却简易化的功率器件的问世也近在眼前。在汽车、工业设备、家用电器等领域的电源模块中也将能得到广泛的应用。

在此背景下，聚焦于SiC半导体技术的著作被寄予厚望，2003年3月《半導体SiC技術と応用》顺利出版。本书总结了至今积累的数据，不仅可以一览SiC半导体技术的全貌，同时还考虑到了研发工作岗位所需的实用性需求，是一本对理论及技术严谨记述，又能方便读者理解、上手的具有实用性的技术型书籍。

此后，相关技术的发展取得了显著的进步，现有的很多知识在已出版的版本中并未曾提及。这次我们对第1版进行了修订，每位编者都保持一如既往的态度，将各自负责的内容进行更新，并出版了《半導体SiC技術と応用第2版》。

本书由行业内该领域领头的研究人员、技术人员集思广益，对SiC技术概要、SiC的特征、SiC单晶生长技术、SiC单晶加工技术、SiC外延生长技术、单晶评估技术、工艺技术、器件、SiC应用系统，以及SiC应用于各领域的前景等方面进行了归纳总结。

通过高效利用电力能源，使SiC技术得到发展而推进产业化的成果，能够在今后的功率技术领域引起颠覆性模式转变。对于石油等化石燃料的进口依赖度达到90%的日本来说，电力能源的高效利用是一项非常重要的任务。我坚信，用于完成这项任务的功率技术（Power Technology，PT），是一项适用于日本，并且更应该在日本开展研发的科学技术。高效利用电力能源，能够减轻环境负担，对改善生态方面有很大的贡献，也对开展我们所倡导的可持续发展十分重要。我希望并鼓励年轻的研究人员、技术人员能够各尽所能、用战略性的眼光投身于这一领域。

本书编委会邀请木本恒畅负责基础及衬底领域相关章节，大谷昇负责单晶生长及评估相关章节，中村孝负责工艺、器件及应用领域相关章节。众多的作者，特别是年轻有为的研究人员、技术人员执笔，为了呈现出一部佳作而各尽所能。日刊工业新闻社的辻一郎也耐心细致地进行了编辑工作。在此对参与本书编写的有关人员表示衷心感谢。

松波弘之京都大学名誉教授

zhangyingui8

先赞后看，好运不断！

wardwood1028

我手中正好有一本原版的，可惜即使是第二版也是2011出版的，隔了12年SiC半导体发生了很大的变化

aa511950071

zhenbucuo ,yuedule

szdgsz

谢谢分享

sky2010cn

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shg841100

赞，不错

coollsenman

好书，多谢大牛分享。

zmq-

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rainlym09

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