第三代寬禁帶半導(dǎo)體:碳化硅和氮化鎵介紹

第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體在高溫、高頻、高耐壓等方面的優(yōu)勢(shì)，且它們?cè)?a target="_blank">電力電子系統(tǒng)和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用。本文對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體，被稱為第三代寬禁帶半導(dǎo)體。

優(yōu)勢(shì)

高溫、高頻、高耐壓：相比第一代（Si、Ge）和第二代（GaAs、InSb、InP）半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在這些方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。

導(dǎo)通電阻?。航档土似骷膶?dǎo)通損耗。

電子飽和速率和電子遷移率高：提高了器件的開(kāi)關(guān)速度，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

高頻特性：有助于減少電容和電感的值，降低無(wú)源和濾波元器件的成本。

高功率密度：降低了電路的規(guī)模、體積和重量，尤其適用于電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。

應(yīng)用特性

GaN：具有最優(yōu)秀的高頻特性，更多應(yīng)用在射頻功率器件和快充場(chǎng)景。

SiC：頻率特性優(yōu)秀，功率密度高，具有高頻優(yōu)勢(shì)，適用于高結(jié)溫、高阻抗和高頻場(chǎng)合。

SiC的特質(zhì)及晶圓制備

SiC（碳化硅）是一種具有多種結(jié)晶形態(tài)的化合物半導(dǎo)體材料，其同質(zhì)多晶的特點(diǎn)源于其存在的一系列相似晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體。熱導(dǎo)率高，有利于散熱。電子飽和速率和電子遷移率高，提高器件的開(kāi)關(guān)速度。抗電壓擊穿能力強(qiáng)，適用于高電壓應(yīng)用。

熱膨脹系數(shù)低，有助于保持器件的穩(wěn)定性。與硅基IGBT相比，SiC具有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)和電池使用率。SiC器件的工作結(jié)溫高、工作頻率高、耐壓能力強(qiáng)，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件。

SiC晶圓制備

SiC晶圓的制備過(guò)程主要包括制作襯底、生長(zhǎng)外延層和電路刻蝕等步驟。其中，制作襯底是最大的挑戰(zhàn)，主要難題是襯底內(nèi)的缺陷。提拉法是硅基半導(dǎo)體晶圓襯底的主要制備方法，也稱為丘克拉斯基法。然而，對(duì)于SiC晶圓來(lái)說(shuō)，提拉法并不是主要的制備方法，因?yàn)镾iC的熔點(diǎn)非常高，難以用提拉法進(jìn)行生長(zhǎng)。SiC單晶體的生長(zhǎng)方法主要有三類，如下：

總的來(lái)說(shuō)，SiC作為一種高性能的半導(dǎo)體材料，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，SiC器件的市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，我國(guó)也在積極發(fā)展SiC產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)研發(fā)和生產(chǎn)能力，以滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求。

第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的封裝

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，如SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵），因其出色的物理和電學(xué)特性，在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，這些材料的晶圓尺寸受限、工藝復(fù)雜性和高昂成本，限制了它們?cè)诠β史至⑵骷I(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。盡管如此，SiC和GaN器件在特定領(lǐng)域，如汽車行業(yè)和光伏發(fā)電站逆變器中，因其高附加值和獨(dú)特性能，仍具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

封裝挑戰(zhàn)與解決方案

晶圓尺寸與切割：第三代半導(dǎo)體材料的晶圓尺寸目前普遍在6寸以下，限制了封裝效率和成本。SiC的硬度極高，傳統(tǒng)金剛刀切割效率低且刀具壽命短。因此，開(kāi)發(fā)了激光隱性切割系統(tǒng)，配合裂片擴(kuò)片機(jī)，提高了切割效率和質(zhì)量。

封裝工藝：封裝過(guò)程中，SiC模塊需要采用銀燒結(jié)和粗銅線工藝來(lái)提高可靠性。銀燒結(jié)技術(shù)可以顯著提高功率循環(huán)壽命，超過(guò)10萬(wàn)次。粗銅線做內(nèi)互聯(lián)降低了封裝內(nèi)阻，提高了大電流的過(guò)載能力，同時(shí)保持了內(nèi)互聯(lián)的靈活性。高導(dǎo)熱塑封料的使用進(jìn)一步提高了封裝的散熱能力。

材料特性與可靠性：SiC模塊在相同電流下芯片面積較小，但其泊松比和楊氏模量較高，導(dǎo)致在傳統(tǒng)封裝材料和工藝條件下，SiC模塊的壽命可能不如Si基模塊。因此，對(duì)于SiC芯片做功率模塊，必須采用銀燒結(jié)等先進(jìn)封裝技術(shù)，以確保性能優(yōu)越和可靠性高。

封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

新材料與新工藝：隨著第三代半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展，封裝技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。新材料如高導(dǎo)熱塑封料、新工藝如激光隱性切割和銀燒結(jié)等，將進(jìn)一步提升封裝效率和可靠性。

模塊化與集成化：為了提高功率密度和降低成本，第三代半導(dǎo)體器件的封裝正朝著模塊化和集成化方向發(fā)展。這不僅可以提高器件的性能和可靠性，還可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造流程。

成本優(yōu)化：盡管第三代半導(dǎo)體材料的成本較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，成本有望逐漸降低。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化封裝工藝和材料選擇，也可以在一定程度上降低成本。

第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

SiC（碳化硅）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理和電學(xué)特性，使其在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。以下是SiC器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域：

汽車行業(yè)：SiC SBD（肖特基二極管）和SiC MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）是目前最為常見(jiàn)的SiC基器件。SiC模塊在電動(dòng)汽車中得到了廣泛應(yīng)用。SiC器件能夠提高充電速度和驅(qū)動(dòng)效率，降低能耗，從而提升電動(dòng)汽車的整體性能。

電力電子變壓器（PET）：SiC IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是未來(lái)電力電子變壓器中最有可能的候選器件，能夠滿足更高頻率、更大耐壓、更大功率等場(chǎng)合的需求，從而突破傳統(tǒng)PET的瓶頸。

其他高附加值領(lǐng)域：由于SiC器件的高性能和穩(wěn)定性，它們還適用于光伏發(fā)電站的逆變器、不間斷電源（UPS）等對(duì)成本不太敏感但對(duì)性能要求較高的領(lǐng)域。