硅通常是半導(dǎo)體技術(shù)的基石。然而，硅也有局限性，尤其在電力電子領(lǐng)域，設(shè)計人員面臨著越來越多的新難題。解決硅局限性的一種方法是使用寬禁帶半導(dǎo)體。本文為白皮書第一部分，將重點介紹寬禁帶半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識及碳化硅制造挑戰(zhàn)。

寬禁帶半導(dǎo)體

顧名思義，寬禁帶半導(dǎo)體（例如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)），是通過其最重要的電氣特性“禁帶”來描述的一類半導(dǎo)體。禁帶是價帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。類似硅的半導(dǎo)體具有相對較窄的禁帶，范圍為0.6 – 1.5電子伏特(eV)。（圖1）

圖 1：寬禁帶物理特性

寬禁帶半導(dǎo)體（續(xù)）

寬禁帶材料具有超過2電子伏特的禁帶。寬禁帶半導(dǎo)體越來越受重視，因為這些較大禁帶的半導(dǎo)體在許多功率應(yīng)用中具有比硅更勝一籌的特性，更像絕緣體。例如，寬禁帶半導(dǎo)體可以在更高的電壓、更高的頻率和更高的溫度下運行。（圖2）這使它們更適合高電壓和高功率應(yīng)用，例如電動汽車（EV）中的牽引逆變器，在此類應(yīng)用中需要快速開關(guān)功能和高壓工作，以將車輛電池的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電。由于材料特性，基于碳化硅的逆變器可以延長電動車的行駛里程。

圖2：寬禁帶的優(yōu)勢

碳化硅

在各種寬禁帶半導(dǎo)體中，碳化硅（SiC）已經(jīng)成為極具吸引力的材料，特別適用于高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，包括電動汽車（EV）中的牽引逆變器和車載充電機，以及基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用如直流快充、太陽能逆變器、儲能和不間斷電源（UPS）。碳化硅已批量生產(chǎn)一個多世紀，主要用作研磨材料。幸運的是，它也表現(xiàn)出出色的特性，適用于高電壓、大功率應(yīng)用。

例如，物理特性包括高熱導(dǎo)率、高飽和電子漂移速度和高擊穿電場。（圖3）因此，采用碳化硅構(gòu)建的系統(tǒng)具有極低的能量損耗和更快的開關(guān)速度。此外，與硅MOSFET和IGBT器件相比，碳化硅可以在更小幾何尺寸下展現(xiàn)出這些優(yōu)勢。

圖3：硅與寬禁帶材料的特性

碳化硅的運行，可以超過硅的極限，運行頻率也能比硅IGBT更高，還能顯著提高功率密度。（圖4）

圖4.SiC vs Si

碳化硅帶來的機遇

對于制造商而言，碳化硅被視為一種競爭利器，也是構(gòu)建節(jié)能系統(tǒng)以及降低整體系統(tǒng)尺寸、重量和成本的機會。這是因為基于碳化硅的系統(tǒng)通常比基于硅的系統(tǒng)更節(jié)能、更小、更堅固，因此設(shè)計人員可以減小無源器件的尺寸和成本。更具體地說，由于碳化硅器件的發(fā)熱量較低，因此對于特定的應(yīng)用，其運行溫度可以低于原方案。（圖5）

圖5：碳化硅應(yīng)用優(yōu)勢

考慮的一部分是實施新的芯片連接技術(shù)（例如燒結(jié)），這些技術(shù)有助于從器件中散熱并確保可靠的連接。與硅相比，碳化硅器件可以在更高的電壓下運行，并提供更快的開關(guān)速度。所有這些因素使設(shè)計人員能夠重新思考如何在系統(tǒng)級別實現(xiàn)最佳功能，并在價格方面更具競爭力。一些已經(jīng)使用碳化硅的高性能器件，包括碳化硅二極管、碳化硅MOSFET以及碳化硅模塊。

與硅相比，碳化硅的卓越性能為新興的應(yīng)用打開了大門。碳化硅器件的設(shè)計電壓不低于650V，特別是在1200V以上時，碳化硅成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。諸如太陽能逆變器、電動汽車充電樁和工業(yè)交流到直流轉(zhuǎn)換等應(yīng)用，將在未來逐步遷移到碳化硅上。另一個應(yīng)用是固態(tài)變壓器，現(xiàn)有的銅和磁性變壓器將將被替代。

碳化硅制造的挑戰(zhàn)

雖然碳化硅具有巨大的市場機會，但其制造過程也面臨著諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)從確保原材料（技術(shù)上稱為顆粒或碳化硅粉末）的純度開始，到生成一致的碳化硅晶錠（圖6），然后是在每個后續(xù)加工步驟中積累實際經(jīng)驗，以交付可靠的最終產(chǎn)品（圖7）。

碳化硅的一個獨特挑戰(zhàn)在于該材料不存在液相，因此無法通過熔融法生長晶體。晶體生長必須在精細控制的壓力下進行，這使其制造比硅更具挑戰(zhàn)性。如果碳化硅在高溫和低壓下保持不變，它會在不經(jīng)過液相的情況下分解成氣態(tài)物質(zhì)。

由于這種特性，碳化硅晶體通過升華或物理氣相傳輸（PVT）的氣相技術(shù)生長。碳化硅粉末被放置在爐內(nèi)的坩堝中，加熱至高溫（超過2200°C），然后碳化硅升華并在晶種上結(jié)晶形成碳化硅晶體。采用這種方法生長材料的一個重要部分是晶種，其直徑與晶錠相似。使用PVT法，生長速率非常慢，大約為每小時0.1-0.5毫米。

圖6：碳化硅粉末、晶錠和晶圓

同樣，由于碳化硅相對于硅的極端硬度，制造晶片的過程也更加具有挑戰(zhàn)性。碳化硅是一種非常堅硬的材料，即使使用金剛石鋸也難以切割。金剛石般的硬度不同于許多其他半導(dǎo)體材料。雖然存在幾種將晶錠分離成晶片的方法，但這些方法可能會在單晶中引入缺陷。

圖7：碳化硅從原材料到最終產(chǎn)品的制造過程

還有一些規(guī)模化挑戰(zhàn)。與硅相比，碳化硅是一種缺陷較多的材料。碳化硅的摻雜是一個復(fù)雜的過程，而生產(chǎn)較大尺寸且缺陷更少的碳化硅晶圓，使得制造和加工成本居高不下。因此，從一開始確立良好的開發(fā)過程至關(guān)重要，以保持一致的高質(zhì)量產(chǎn)出。盡管如此，8英寸的襯底開始進入市場，安森美（onsemi）也在為此助力。

圖8：挑戰(zhàn)–碳化硅晶圓和缺陷

碳化硅制造的挑戰(zhàn)(續(xù))

幸運的是，企業(yè)在實現(xiàn)一致可靠的晶錠和晶圓方面投入了大量資金。還利用其在硅制造方面的經(jīng)驗，對方法論和基礎(chǔ)材料科學(xué)進行了支撐。在發(fā)布產(chǎn)品到市場時，必須結(jié)合多個關(guān)鍵要素。

為此，碳化硅標準的開發(fā)正在進行中。在聯(lián)合電子器件工程委員會（JEDEC）、汽車電子委員會（AEC）和歐洲電力電子汽車認證組（AQG）內(nèi)部，多個子團隊正在開展所需的工作，為該行業(yè)創(chuàng)建碳化硅標準。安森美積極參與這些標準的制定。包括AEC組和JEDEC委員會JC-70.2碳化硅電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體標準。

圖 9：穩(wěn)定的內(nèi)在和外在可靠性的定義

未完待續(xù)，后續(xù)推文將繼續(xù)介紹碳化硅生態(tài)系統(tǒng)的不斷演進、安森美在碳化硅半導(dǎo)體生產(chǎn)中的優(yōu)勢等。