第三代半导体材料——GaN和SiC的关键技术

什么是第三代半导体和宽频带隙半导体?

在半导体材料领域，第一代半导体是Si，第二代半导体是GaAs，第三代半导体(宽带隙半导体，WBG)是SiC和GaN。宽频带隙半导体中的能隙代表一种能隙，这意味着制造半导体从绝缘到传导所需的最小能量。第一代和第二代半导体的硅和砷化镓是低能隙材料，分别为1.12 eV和1.43 eV。与第一代和第二代相比，第三代宽带隙半导体SiC和GaN的能隙分别达到3.2 eV和3.4 eV，因此在遇到高温、高压和大电流时。第三代半导体不会轻易从绝缘转变为导电，具有更稳定的特性和更好的能量转换。

随着第三代半导体材料的宽带隙半导体(WBG)功率元件在5G基站、低轨道卫星、电动汽车、手机快充等市场的广泛应用，台湾的半导体生产链近年来积极部署在GaN和SiC领域。

台湾半导体产业的发展:

台湾半导体产业以现有的硅基半导体生态系统和研究能量为良好基础。通过协会的力量，整合国内外主要厂商和政府、学术界、研究界，共同打造跨国、跨领域的协作与融合平台。通过构建完整的复合半导体供应链，帮助台湾拓展成为更大的全球半导体生态系统。因此，保持台湾在复合半导体领域的主导地位是十分必要和迫切的。过去，台湾以硅半导体支撑整个ICT产业链，在全球科技产业中发挥了关键作用。如果能在宽频带隙半导体领域逐步发展到硅半导体的高度，既能延续台湾半导体产业的优势，又能增强台湾的竞争力。继续为全球科技产业和经济发展做出贡献。

复合半导体已被世界各国列为国家重点发展项目，台湾的区位优势不仅包括政府积极推出的“复合半导体计划”，还包括整合产政学术界资源，推动人才培养计划。例如，鼓励高校增加复合半导体奖学金，从世界各地招募优秀人才，建立以就业为导向的技术和职业体系，培养低水平技术人才等，稳定台湾在全球复合半导体产业链中的领先和关键地位。如今的复合半导体技术越来越复杂，如何通过上下游合作来弥补现有供应链的不足是一个重要的问题。纵观台湾的复合半导体供应链，台湾晶圆工厂众多，碳化硅基板、氮化镓外延及相应生产设备是可以开发的重点项目。

功率晶体管技术背景:

• 低导通电阻，减少导通损耗，实现高效功率转换
• 高速开关性能，减少开关损耗
• 功率转换异常运行时的噪声能量在电路作为吸收源的作用下，当在关断状态下施加过电压时，晶体管造成非破坏性击穿，并将噪声能量吸收为热能，以保证器件的功率转换可靠性。

半导体材料GaN和SiC的区别:

• GaN频率更快:适用于消费设备充电、轻汽油动力、混合动力、5G射频通信等应用。
• SiC具有较高的耐压能力:适用于电动汽车、增压站、汽车、能源等对电压要求较高的应用。

半导体材料GaN和SiC的应用:

在物联网、绿色能源、5G时代，电子设备的能效更加重要，SiC、GaN等复合半导体是提高效率的关键。由于SiC和GaN的耐压和输出功率不同，它们可以在不同的领域中发挥作用。随着5G和电动汽车时代的到来，科技产品的高频、高速计算和高速充电需求增加。硅和砷化镓的温度、频率和功率已经达到极限，功率和速度很难提高。一旦操作温度超过100，前两代在温度更严重时更容易发生故障，因此不能在更恶劣的环境中使用。此外，世界已经开始关注碳排放问题，因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代的突破性应用。第三代半导体在高频下仍能保持优异的性能和稳定性，同时具有开关速度快、体积小、散热快等特点。模块和冷却系统的体积。

SiC和GaN有一些重叠的电压级别和频率。SiC主要针对600V~3.3kV电动汽车市场的高压应用;GaN有望在100V~600V电力电子领域开辟新的前景。此外，GaN的开关频率超过1 MHz，因此除了在电源充电领域的应用外，GaN在5G无线通信领域有更大的市场机会。在实际应用中，SiC具有较好的技术成熟度，因此市场增长迅速，在xEV市场的应用也日益广泛。

SiC由Si和C组成，结合力强，热稳定性好，化学稳定性好，机械稳定性好。由于SiC具有低功耗、高功率的特点，适合于高压、大电流的应用场景，如电动汽车、电动汽车充电等。基础设施、太阳能和海上风电等绿色发电设备。

氮化镓体积小、产热低、功率高的特点使其非常适合于消费电子产品的快速充电，高耐压的特点使其在汽车、工业和电信领域发挥最大的竞争优势。除了消费电子，GaN在汽车领域也有广泛的应用机会，如48V混合动力、DC-DC电压转换、车载无线充电、车载数据中心服务器，甚至激光雷达的大功率激光驱动器等都适合GaN领域的使用。从长远来看，消费电子、汽车和工业是GaN功率半导体的三个主要应用领域。

氮化镓的优点:

• 低通阻:减少损耗，提高能量转换效率。
• 更快的电子迁移速率:增加交流电路的频率，减少所需的外部元件和体积。
• 耐压能力强:充电功率高，充电速度快。
• GaN可以实现更高的功率、更高的功率效率、更小的设备尺寸和更低的系统成本。

GaN和SiC半导体材料的测试、蚀刻和封装技术要求:

在过去的几十年里，功率芯片的封装一直在追求小型化、更好的热性能和更好的电特性，所使用的封装技术也变得越来越复杂。在早期，几乎所有的功率芯片都采用线键合封装，但近年来，使用倒装芯片封装的功率芯片已变得越来越普遍。为了进一步在单个封装中实现更高程度的集成，许多芯片制造商开发了封装技术，将有源和无源组件集成在同一基板上，并推出了看起来像芯片但实际上是模块的产品。

在检验部分，对于SiC来说，最关键的是晶圆铸造前的缺陷检验，因为SiC晶圆出现缺陷的概率很高，所以晶圆生产前的缺陷检验非常关键。对于GaN器件，情况恰恰相反，最困难的部分是刻蚀过程不能破坏GaN结构，否则会对器件的可靠性产生负面影响。因此，对于GaN元件，检查的重点是刻蚀过程后的检查。

对于刻蚀部分，如何加快刻蚀和加工端点检测是SiC刻蚀最具挑战性的部分。由于碳化硅的硬度相对较高，这种材料的快速蚀刻是困难的。另外，由于未来SiC器件的晶体管将采用沟槽结构，这意味着加工的端点将处于盲区，通过端点检测来控制蚀刻深度是一项相对具有挑战性的任务。

就GaN刻蚀而言，GaN层对刻蚀过程所造成的损伤相当敏感，因此在刻蚀过程中，必须放慢速度并小心进行。目前，SPTS已经能够将反应炉控制到等离子体即将消失的极限，从而将刻蚀速度降低到最慢，尽可能避免对器件结构的损伤。