中國粉體網(wǎng)訊  功率器件行業(yè)發(fā)展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經(jīng)接近極限，邊際成本越來越高，而半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)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(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導(dǎo)體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發(fā)展方向，并逐步進入應(yīng)用量產(chǎn)階段。

SiC功率器件性能優(yōu)勢

SiC功率半導(dǎo)體的發(fā)展改善了功率開關(guān)器件的硬開關(guān)特性，耐壓可達數(shù)萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優(yōu)勢如下：

(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，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(dǎo)率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設(shè)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(yīng)用。理論上，SiC器件是實現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結(jié)合的理想材料，主要應(yīng)用于大功率場合，可實現(xiàn)模塊及應(yīng)用系統(tǒng)的小型化、集成化，提高功率密度和系統(tǒng)效率。

SiC功率器件的關(guān)鍵技術(shù)

碳化硅半導(dǎo)體功率器件的制作產(chǎn)業(yè)鏈涉及內(nèi)容總體上分為五大塊，即襯底、外延、器件、封裝、系統(tǒng)應(yīng)用，且產(chǎn)業(yè)鏈涉及較多的環(huán)節(jié)，如芯片生產(chǎn)制作、功能模塊設(shè)計等。相對于傳統(tǒng)的硅基應(yīng)用技術(shù)，碳化硅半導(dǎo)體功率器件生產(chǎn)中在關(guān)鍵步驟有著較多的挑戰(zhàn)。

1、襯底和外延

襯底是功率器件的基礎(chǔ)，由于目前Si基功率器件生產(chǎn)廠商的大部分生產(chǎn)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(shù)的成熟是SiC功率器件在所有重要領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的前提條件。SiC的單晶生長最常采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(dǎo)致半導(dǎo)體性能與可靠性下降，不能體現(xiàn)出SiC材料的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，通過特殊柵氧化工藝或溝槽結(jié)構(gòu)等方法，已能夠生產(chǎn)出微管密度幾乎為零的4和6英寸晶片，8英寸晶片也正在研制中，但成本較高，目前市場上的產(chǎn)品仍以4英寸單晶襯底為主。外延材料方面，SiC采用的是同質(zhì)外延生長技術(shù)，設(shè)備與生長技術(shù)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。

2、功率器件

最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的SiC二極管中成熟度最高的是SiCSBD，SBD具有PN結(jié)肖特基勢壘復(fù)合結(jié)構(gòu)，可消除隧穿電流對實現(xiàn)最高阻斷電壓的限制，充分發(fā)揮SiC臨界擊穿電場強度高的優(yōu)勢。

SiC功率器件的研究熱點

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(chǎn)品相比，可顯著提高工作頻率，大幅度降低開關(guān)損耗。全SiC功率模塊是在優(yōu)化工藝條件及器件結(jié)構(gòu)，改善了晶體質(zhì)量后才實現(xiàn)了SiCSBD與SiCMOSFET一體化封裝，解決了高壓級別SiIGBT模塊功率轉(zhuǎn)換損耗較大的問題，可在高頻范圍中實現(xiàn)外圍部件小型化，但成本較高。

3、封裝技術(shù)

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

(1)具有良好的導(dǎo)熱性；

(2)具有優(yōu)良的絕緣特性；

(3)熱膨脹系數(shù)小，與SiC半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配；

(4)耐高溫，在空氣氛圍300℃以上高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定。

隨著SiC功率器件產(chǎn)業(yè)鏈中各項技術(shù)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(yīng)用的階段，將引發(fā)電力電子技術(shù)的新革命。

參考來源：

[1]閆美存.碳化硅功率器件的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準化研究

[2]葛海波等.碳化硅功率器件的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準化研究

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