第三代半导体材料——氮化镓和碳化硅关键技术

什么是第三代半导体和宽带隙半导体?

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。半导体的稳定性和一致性将取决于它的“能隙”，这是指使半导体从绝缘状态切换到导电状态所需的最小能量。用于第一代和第二代半导体的硅和砷化镓具有较低的能隙，分别为1.12 eV和1.43 eV。第三代宽禁带半导体，SiC和GaN的能隙分别为3.2 eV和3.4 eV。具有较高的能隙，当半导体遇到高温、高压、大电流时，不易从绝缘状态转变为导电状态，因此将比早期的半导体材料具有更稳定的特性和更好的能量转换。

第三代半导体材料用于宽带隙半导体(WBG)功率元件，广泛应用于5G基站、低轨道卫星、电动汽车、手机快速充电等应用。台湾半导体产业一直在积极部署GaN和SiC。

台湾半导体产业的发展:

现有的硅基半导体生态系统为台湾的半导体产业奠定了良好的基础。行业整合了国内外主要厂商、政府机构、学术界、研究界，共同搭建了坚实的跨国跨领域协作平台。建立一个完整的半导体制造供应链，帮助台湾扩展到全球半导体生态系统。然而，台湾要想保持其在半导体制造业的主导地位，就必须发展宽带隙半导体。这将确保台湾可以继续利用其在半导体产业的优势，提高其竞争力，为全球科技和经济发展做出贡献。

化合物半导体已被世界各国列为国家重点发展项目，台湾的利基优势不仅包括政府推出的“化合物半导体计划”，还包括整合产、政、学资源，推动人才培养计划。例如，鼓励高等院校增加化合物半导体奖学金，从世界各地招募优秀人才，建立以就业为导向的技术职业体系，培养低水平技术人才等，以稳定台湾在全球化合物半导体产业链中的领先和关键地位。如今的化合物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。放眼台湾的化合物半导体供应链，台湾有很多晶圆厂，碳化硅衬底、氮化镓外延的生产，以及相应的生产设备，都是可以发展的重点领域。

功率晶体管技术背景

• 低导通电阻以减少导通损耗对有效的功率转换非常重要。
• 高速交换性能对降低交换损耗至关重要。
• 在非正常运行过程中，噪声能量的吸收是非常重要的。当在关断状态下施加过电压时，晶体管会产生非破坏性击穿，吸收噪声能量并将其转换为热能，以确保器件的可靠性。

半导体材料GaN与SiC的区别

• GaN具有更快的频率能力:适用于消费设备充电、混合电源和5G射频通信应用。
• SiC具有更高的电压容限能力:适用于电动汽车、超级充电站、车辆、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，电子设备的能效要求更加显著，而SiC、GaN等化合物半导体是提升能效的关键。由于SiC和GaN的电压容限和输出功率不同，因此可以选择用于不同的领域。随着5G和电动汽车时代的到来，对科技产品的高频、高速计算和高速充电的需求增加。硅和砷化镓的温度、频率、功率已经达到极限，难以再提高功率和速度。一旦工作温度超过100摄氏度，它们就更容易发生故障，因此不能在更恶劣的环境中使用。此外，随着人们对碳排放问题的日益关注，第三代半导体的高能效和低能耗带来了应用上的突破。第三代半导体可以在高频率下保持优异的性能，快速的开关速度和更大的稳定性，同时它们的小尺寸可以快速散热。

SiC和GaN具有一些重叠的电压电平和频率。SiC主要针对电动汽车市场中600V~3.3kV的高压应用;而氮化镓有望在100V~600V电力电子领域开辟新的前景。此外，GaN具有超过1mhz的开关频率，因此除了在电力充电领域的应用之外，GaN在5G无线通信中具有更大的市场机会。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，其在xEV市场中的应用也日益广泛。

SiC由Si和C组成，结合力强，热、化学、机械稳定。SiC由于具有低功耗、高功率的特点，适用于高压、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。

碳化硅的强结合力和热、化学、机械稳定性使其具有低能耗、高功率的特点，适用于高压、大电流应用，如电动汽车、电动汽车充电、太阳能和海上风电等绿色发电设备。

GaN具有体积小、发热量低、功率高的特点，非常适合消费类电子产品的快速充电。GaN的高电压容限使其在汽车、工业和电信领域发挥最大的竞争优势。除了消费电子领域，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等。从长远来看，消费电子、汽车和其他工业应用将是GaN功率半导体的三个主要关注领域。

GaN的优点:

• 低导通电阻: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，减少所需外部元件的数量和体积。
• 更高的电压容限能力:更高的充电功率提高了充电速度。
• GaN可以实现更高的功率、更高的功率效率、更小的器件尺寸和更低的系统成本。

半导体材料GaN、SiC的测试、刻蚀和封装技术要求

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、更好的电特性，所采用的封装技术也越来越复杂。在早期，几乎所有的功率芯片都采用线键合封装，但近年来，采用倒装封装的功率芯片越来越普遍。为了进一步在单个封装中实现更高的集成度，许多芯片制造商已经开发出将有源和无源组件集成在同一基板上的封装技术，并推出了看起来像芯片但实际上是模块的产品。

由于SiC晶圆中出现缺陷的概率很高，因此在生产前进行晶圆缺陷检测至关重要。晶圆铸造前的缺陷检测是最关键的一步。GaN器件的情况正好相反，其中最关键的部分是蚀刻过程，其中GaN结构的损坏将对器件的可靠性产生负面影响。因此，对于GaN组件，重点是在蚀刻过程后的检查。

SiC刻蚀中最具挑战性的部分是如何加快刻蚀和端点检测速度。由于SiC的硬度相对较高，这种材料的快速蚀刻是困难的。此外，由于未来SiC器件的晶体管将采用沟槽结构，因此将蚀刻深度控制到端点将是相对具有挑战性的。

由于GaN层对蚀刻过程造成的损伤非常敏感，因此必须放慢工艺速度并小心进行。目前，制造商能够控制反应炉和等离子体，从而降低蚀刻速度，以尽可能避免对基材的损坏。