碳化矽功率器件的三大關鍵技術!

2020-12-15 騰訊網

碳化矽功率器件與傳統矽功率器件製作工藝不同，不能直接製作在碳化矽單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，並在外延層上製造各類器件。

功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極電晶體)時期，矽基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。

半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，並逐步進入應用量產階段。

SiC功率器件性能優勢

SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：

(1)寬禁帶可大幅減小洩漏電流，從而減少高功率器件損耗；

(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；

(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助於器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；

(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用於大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。

SiC功率器件的關鍵技術

碳化矽半導體功率器件的製作產業鏈涉及內容總體上分為五大塊，即襯底、外延、器件、封裝、系統應用，且產業鏈涉及較多的環節，如晶片生產製作、功能模塊設計等。相對於傳統的矽基應用技術，碳化矽半導體功率器件生產中在關鍵步驟有著較多的挑戰。

襯底和外延

襯底是功率器件的基礎，由於目前Si基功率器件生產廠商的大部分生產線支持4英寸以上的晶圓，因此4、6英寸及以上SiC襯底技術的成熟是SiC功率器件在所有重要領域大規模應用的前提條件。

SiC的單晶生長最常採用的是物理氣相傳輸法，但SiC-SiO2介面的缺陷密度高，通道電子遷移率底，導致半導體性能與可靠性下降，不能體現出SiC材料的優勢。

隨著技術的發展，通過特殊柵氧化工藝或溝槽結構等方法，已能夠生產出微管密度幾乎為零的4和6英寸晶片，8英寸晶片也正在研製中，但成本較高，目前市場上的產品仍以4英寸單晶襯底為主。

外延材料方面，SiC採用的是同質外延生長技術，設備與生長技術已比較成熟，可生長出超過100~200μm的SiC外延材料，外延生長中亟需解決的是生長缺陷問題。

功率器件

最先實現產業化的SiC二極體中成熟度最高的是SiCSBD，SBD具有PN結肖特基勢壘複合結構，可消除隧穿電流對實現最高阻斷電壓的限制，充分發揮SiC臨界擊穿電場強度高的優勢。

SiC功率模塊分為混合SiC模塊和全SiC功率模塊。

混合SiC功率模塊與同等額定電流的SiIGBT模塊產品相比，可顯著提高工作頻率，大幅度降低開關損耗。

全SiC功率模塊是在優化工藝條件及器件結構，改善了晶體質量後才實現了SiCSBD與SiCMOSFET一體化封裝，解決了高壓級別SiIGBT模塊功率轉換損耗較大的問題，可在高頻範圍中實現外圍部件小型化，但成本較高。

封裝技術

封裝過程中需要涉及的電、熱和熱機械問題，取決於器件的電壓等級和電流水平，傳統的功率封裝方法是實現SiC功率器件性能優勢的限制因素。SiC功率器件的封裝材料應滿足以下要求：

(1)具有良好的導熱性；

(2)具有優良的絕緣特性；

(3)熱膨脹係數小，與SiC半導體材料的熱膨脹係數相匹配；

(4)耐高溫，在空氣氛圍300℃以上高溫環境中保持穩定。

隨著SiC功率器件產業鏈中各項技術的進一步完善，未來各種SiC功率器件會在成品率、可靠性和成本方面取得很大改善，從而進入全面推廣應用的階段，將引發電力電子技術的新革命。

參考來源：

[1]閆美存.碳化矽功率器件的關鍵技術及標準化研究

[2]葛海波等.碳化矽功率器件的關鍵技術及標準化研究

文稿來源：中國粉體網

圖片來源：拍信網

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