第三代宽禁带半导体:碳化硅和氮化镓介绍

 

第三代宽禁带功率半导体在高温、高频、高耐压等方面的优势，且它们在电力电子系统和电动汽车等领域中有着重要应用。本文对其进行简单介绍。

以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带化合物半导体，被称为第三代宽禁带半导体。

优势

高温、高频、高耐压：相比第一代（Si、Ge）和第二代（GaAs、InSb、InP）半导体材料，第三代半导体材料在这些方面具备明显优势。

导通电阻小：降低了器件的导通损耗。

电子饱和速率和电子迁移率高：提高了器件的开关速度，降低了开关损耗，提高了转换效率。

高频特性：有助于减少电容和电感的值，降低无源和滤波元器件的成本。

高功率密度：降低了电路的规模、体积和重量，尤其适用于电动汽车等领域。

应用特性

GaN：具有最优秀的高频特性，更多应用在射频功率器件和快充场景。

SiC：频率特性优秀，功率密度高，具有高频优势，适用于高结温、高阻抗和高频场合。

SiC的特质及晶圆制备

SiC（碳化硅）是一种具有多种结晶形态的化合物半导体材料，其同质多晶的特点源于其存在的一系列相似晶体结构的同质多型体。热导率高，有利于散热。电子饱和速率和电子迁移率高，提高器件的开关速度。抗电压击穿能力强，适用于高电压应用。

热膨胀系数低，有助于保持器件的稳定性。与硅基IGBT相比，SiC具有更高的击穿场强、导热系数和电池使用率。SiC器件的工作结温高、工作频率高、耐压能力强，这些性能都优于传统硅器件。

SiC晶圆制备

SiC晶圆的制备过程主要包括制作衬底、生长外延层和电路刻蚀等步骤。其中，制作衬底是最大的挑战，主要难题是衬底内的缺陷。提拉法是硅基半导体晶圆衬底的主要制备方法，也称为丘克拉斯基法。然而，对于SiC晶圆来说，提拉法并不是主要的制备方法，因为SiC的熔点非常高，难以用提拉法进行生长。SiC单晶体的生长方法主要有三类，如下：

总的来说，SiC作为一种高性能的半导体材料，随着技术的不断进步和成本的降低，SiC器件的市场规模有望进一步扩大。同时，我国也在积极发展SiC产业，加强研发和生产能力，以满足国内外市场的需求。

第三代宽禁带功率半导体器件的封装

第三代宽禁带半导体材料，如SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓），因其出色的物理和电学特性，在功率半导体器件领域展现出巨大的应用潜力。然而，这些材料的晶圆尺寸受限、工艺复杂性和高昂成本，限制了它们在功率分立器件领域的广泛应用。尽管如此，SiC和GaN器件在特定领域，如汽车行业和光伏发电站逆变器中，因其高附加值和独特性能，仍具有不可替代的优势。

封装挑战与解决方案

晶圆尺寸与切割：第三代半导体材料的晶圆尺寸目前普遍在6寸以下，限制了封装效率和成本。SiC的硬度极高，传统金刚刀切割效率低且刀具寿命短。因此，开发了激光隐性切割系统，配合裂片扩片机，提高了切割效率和质量。

封装工艺：封装过程中，SiC模块需要采用银烧结和粗铜线工艺来提高可靠性。银烧结技术可以显著提高功率循环寿命，超过10万次。粗铜线做内互联降低了封装内阻，提高了大电流的过载能力，同时保持了内互联的灵活性。高导热塑封料的使用进一步提高了封装的散热能力。

材料特性与可靠性：SiC模块在相同电流下芯片面积较小，但其泊松比和杨氏模量较高，导致在传统封装材料和工艺条件下，SiC模块的寿命可能不如Si基模块。因此，对于SiC芯片做功率模块，必须采用银烧结等先进封装技术，以确保性能优越和可靠性高。

封装技术的发展趋势

新材料与新工艺：随着第三代半导体材料的不断发展，封装技术也在不断创新。新材料如高导热塑封料、新工艺如激光隐性切割和银烧结等，将进一步提升封装效率和可靠性。

模块化与集成化：为了提高功率密度和降低成本，第三代半导体器件的封装正朝着模块化和集成化方向发展。这不仅可以提高器件的性能和可靠性，还可以简化系统设计和制造流程。

成本优化：尽管第三代半导体材料的成本较高，但随着技术的进步和市场规模的扩大，成本有望逐渐降低。同时，通过优化封装工艺和材料选择，也可以在一定程度上降低成本。

第三代宽禁带功率半导体器件的应用

SiC（碳化硅）作为第三代宽禁带半导体材料，具有优异的物理和电学特性，使其在功率半导体器件领域具有广泛的应用前景。以下是SiC器件的主要应用领域：

汽车行业：SiC SBD（肖特基二极管）和SiC MOS（金属氧化物半导体场效应晶体管）是目前最为常见的SiC基器件。SiC模块在电动汽车中得到了广泛应用。SiC器件能够提高充电速度和驱动效率，降低能耗，从而提升电动汽车的整体性能。

电力电子变压器（PET）：SiC IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是未来电力电子变压器中最有可能的候选器件，能够满足更高频率、更大耐压、更大功率等场合的需求，从而突破传统PET的瓶颈。

其他高附加值领域：由于SiC器件的高性能和稳定性，它们还适用于光伏发电站的逆变器、不间断电源（UPS）等对成本不太敏感但对性能要求较高的领域。