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作者：Catherine De Keukeleire，可靠性與質(zhì)量保證總監(jiān)，寬禁帶，安森美

幾十年來，硅（Si）一直是半導體行業(yè)的主要材料——從微處理器到分立功率器件，無處不在。然而，隨著汽車和可再生能源等領域對現(xiàn)代電力需求應用的發(fā)展，硅的局限性變得越來越明顯。

隨著行業(yè)不斷探索解決方案，寬禁帶（WBG）材料，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被視為解決之道。禁帶寬度描述了價帶頂部和導帶底部之間的能量差。硅的禁帶寬度相對較窄，為1.1電子伏特（eV），而SiC和GaN的禁帶寬度分別為3.3eV和3.4eV。

圖 1 - 寬禁帶材料的物理特性（資料來源：安森美）

這些特性意味著寬禁帶材料的特性更像絕緣體，能夠在更高的電壓、頻率和溫度下工作。因此，它們非常適合用于電動汽車（EV）和可再生能源等領域的功率轉換應用。

碳化硅（SiC）

碳化硅（SiC）并非新鮮事物，作為研磨材料已有超過一個世紀的生產(chǎn)歷史。然而，由于具有適合高壓、大功率應用的誘人特性，SiC正逐漸嶄露頭角。SiC的物理特性，如高熱導率、高飽和電子漂移速度和高擊穿電場，使得SiC設計相比硅MOSFET或IGBT具有極低的損耗、更快的開關速度和更小的幾何尺寸。

許多業(yè)內(nèi)人士將SiC視為具有競爭優(yōu)勢的原材料，因為它能夠在減小尺寸、重量和成本的同時提高效率。由于SiC系統(tǒng)的工作頻率更高，無源器件的體積更小，損耗更低，因此所需的散熱措施也更少。最終，這將實現(xiàn)許多現(xiàn)代應用所需的更高功率密度。

圖 2 - SiC 在許多應用中都具有優(yōu)勢（來源：安森美）

在選擇材料的同時，在SiC功率器件中采用新的裸片連接技術有助于消除器件中的熱量。燒結等技術可在裸片和襯底之間形成牢固的結合，并確?？煽康幕ミB性。因此，它可以提高熱傳導效率，改善散熱性能。

SiC通常用于高壓應用（>650V），但在 1200V 及更高電壓下，碳化硅開始發(fā)揮顯著作用，成為太陽能逆變器和電動汽車充電的最佳解決方案。它也是固態(tài)變壓器的關鍵推動因素，在固態(tài)變壓器中，半導體將取代磁性元件。

制造挑戰(zhàn)

SiC的制造并不容易，首先，顆粒的純度必須極高，并且SiC晶錠需要高度的一致性。由于SiC材料永遠不會變成液態(tài)，因此晶體不能從熔融狀態(tài)中生長出來，而是需要在氣相技術中通過仔細控制的壓力來實現(xiàn)，這種技術稱為升華法。為了實現(xiàn)這一點，SiC粉末被放置在熔爐中并加熱到超過2200°C，使其升華并在籽晶上結晶。然而，即便如此，生長速度也非常緩慢，每小時最多只能生長0.5毫米。

SiC的極端硬度使得即使使用金剛石鋸切割也十分困難，這使得與硅相比，制造晶圓更具挑戰(zhàn)性。雖然可以使用其他技術，但這些技術可能會在晶體中產(chǎn)生缺陷。

由于SiC是一種非常容易產(chǎn)生缺陷的材料，且摻雜工藝具有挑戰(zhàn)性，生產(chǎn)出缺陷少的大尺寸晶圓并不容易。盡管如此，安森美（onsemi）公司現(xiàn)在已可以常規(guī)生產(chǎn)8英寸的襯底。

圖 3 - 碳化硅制造工藝（來源：安森美）

支持研究

安森美意識到學術界在半導體技術發(fā)展中的重要性。就SiC而言，目前正在以下領域開展研究：

對宇宙射線的抗擾性
柵極氧化物的固有壽命建模
碳化硅/二氧化硅界面特征描述和壽命建模
外來物質(zhì)（篩選）
外延和襯底缺陷
體二極管退化
高壓阻斷可靠性 (HTRB)
有關邊緣終止、雪崩穩(wěn)健性和短路的特定性能指標
高 dv/dt 耐久性設計
浪涌電流

此外，安森美還承諾出資 800 萬美元，圍繞賓夕法尼亞州立大學（PSU）的安森美碳化硅晶體中心（SiC3）開展戰(zhàn)略合作。他們還與歐洲其他至少六家教育機構合作，進一步推動該技術的發(fā)展。

安森美制造的優(yōu)勢

安森美的獨特之處在于，該公司為SiC器件提供了完全集成的供應鏈，可以全面控制從晶錠到客戶的所有流程環(huán)節(jié)和相關質(zhì)量。

該流程從新罕布什爾州開始，首先培育單晶碳化硅材料，然后在其上添加一層薄的外延層。接下來，完成多個器件處理步驟和封裝，以生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。

安森美生產(chǎn)基地的端到端能力有助于進行最全面的測試并支持根本原因分析。其目標是生產(chǎn)零缺陷的高可靠性產(chǎn)品。

圖 4 - 終極質(zhì)量 - 零缺陷（來源：安森美）

通過對每個步驟的可見性和控制，可以相對輕松地擴大產(chǎn)能，以滿足不斷增長的需求。此外，還可以對流程進行優(yōu)化，以最大限度地提高產(chǎn)量和控制成本。事實上，麥肯錫公司也認可垂直整合供應鏈的好處，他們寫道："SiC 晶圓和器件生產(chǎn)的垂直整合可以將產(chǎn)量提高五到十個百分點。

成功的五個步驟

在應對碳化硅的特定挑戰(zhàn)時，安森美采用了五步方法來解決襯底和外延缺陷水平、體二極管退化、高壓阻斷期間的可靠性以及與應用相關的性能等問題。