Awen

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碳化硅功率器件的三大关键技术!

2020-11-30 19:41:37 显示全部楼层

碳化硅功率器件与传统硅功率器件制作工艺不同,不能直接制作在碳化硅单晶材料上,必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料,并在外延层上制造各类器件。

功率器件行业发展到IGBT(绝缘栅双极晶体管)时期,硅基器件的性能已经接近极限,边际成本越来越高。

半导体器件产业仍对高功率、高频切换、高温操作、高功率密度等有着越来越多的需求,因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)等第三代半导体材料为核心的宽禁带功率器件成为了研究热点与新发展方向,并逐步进入应用量产阶段。

SiC功率器件性能优势

SiC功率半导体的发展改善了功率开关器件的硬开关特性,耐压可达数万伏,耐温可达500℃以上,其性能优势如下:

(1)宽禁带可大幅减小泄漏电流,从而减少高功率器件损耗;

(2)高击穿场强可提高功率器件耐压能力与电流密度,减小整体尺寸;

(3)高热导率可改善耐高温能力,有助于器件散热,减小散热设备体积,提高集成度,增加功率密度;

(4)强抗辐射能力,更适合在外太空等辐照条件下应用。理论上,SiC器件是实现高压、高温、高频、高功率及抗辐射相结合的理想材料,主要应用于大功率场合,可实现模块及应用系统的小型化、集成化,提高功率密度和系统效率。

SiC功率器件的关键技术

碳化硅半导体功率器件的制作产业链涉及内容总体上分为五大块,即衬底、外延、器件、封装、系统应用,且产业链涉及较多的环节,如芯片生产制作、功能模块设计等。相对于传统的硅基应用技术,碳化硅半导体功率器件生产中在关键步骤有着较多的挑战。


衬底和外延

衬底是功率器件的基础,由于目前Si基功率器件生产厂商的大部分生产线支持4英寸以上的晶圆,因此4、6英寸及以上SiC衬底技术的成熟是SiC功率器件在所有重要领域大规模应用的前提条件。

SiC的单晶生长最常采用的是物理气相传输法,但SiC-SiO2介面的缺陷密度高,通道电子迁移率底,导致半导体性能与可靠性下降,不能体现出SiC材料的优势。

随着技术的发展,通过特殊栅氧化工艺或沟槽结构等方法,已能够生产出微管密度几乎为零的4和6英寸晶片,8英寸晶片也正在研制中,但成本较高,目前市场上的产品仍以4英寸单晶衬底为主。

外延材料方面,SiC采用的是同质外延生长技术,设备与生长技术已比较成熟,可生长出超过100~200μm的SiC外延材料,外延生长中亟需解决的是生长缺陷问题。

功率器件

最先实现产业化的SiC二极管中成熟度最高的是SiCSBD,SBD具有PN结肖特基势垒复合结构,可消除隧穿电流对实现最高阻断电压的限制,充分发挥SiC临界击穿电场强度高的优势。

SiC功率模块分为混合SiC模块和全SiC功率模块。

混合SiC功率模块与同等额定电流的SiIGBT模块产品相比,可显著提高工作频率,大幅度降低开关损耗。

全SiC功率模块是在优化工艺条件及器件结构,改善了晶体质量后才实现了SiCSBD与SiCMOSFET一体化封装,解决了高压级别SiIGBT模块功率转换损耗较大的问题,可在高频范围中实现外围部件小型化,但成本较高。

封装技术

封装过程中需要涉及的电、热和热机械问题,取决于器件的电压等级和电流水平,传统的功率封装方法是实现SiC功率器件性能优势的限制因素。SiC功率器件的封装材料应满足以下要求:

(1)具有良好的导热性;

(2)具有优良的绝缘特性;

(3)热膨胀系数小,与SiC半导体材料的热膨胀系数相匹配;

(4)耐高温,在空气氛围300℃以上高温环境中保持稳定。

随着SiC功率器件产业链中各项技术的进一步完善,未来各种SiC功率器件会在成品率、可靠性和成本方面取得很大改善,从而进入全面推广应用的阶段,将引发电力电子技术的新革命。

参考来源:
[1]闫美存.碳化硅功率器件的关键技术及标准化研究
[2]葛海波等.碳化硅功率器件的关键技术及标准化研究

文稿来源:中国粉体网

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curton

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curton 2020-12-1 08:24:59 显示全部楼层
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Awen

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Awen 2020-12-1 08:26:48 显示全部楼层

第三代半导体,作为封测企业来讲,工艺是一大关键技术,也是很多企业的短板
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