以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度 、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力等特性，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件。其中，碳化硅具有高頻率、高效率、高可靠性、耐高壓、耐高溫、低損耗的優(yōu)異特性，是支撐新能源汽車發(fā)展的關鍵技術之一。不同的需求匹配不同的材料，在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域，比如100V到650V以及更高的電壓范圍，氮化鎵、碳化硅器件有很好的競爭優(yōu)勢以及很好的應用機會。

5月28日，2023中關村論壇北京（國際）第三代半導體創(chuàng)新發(fā)展論壇在中關村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)展示中心舉辦。本次論壇由科學技術部、工業(yè)和信息化部、北京市人民政府主辦，北京市科學技術委員會、中關村科技園區(qū)管理委員會，北京市經(jīng)濟和信息化局，北京市順義區(qū)人民政府，北京第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟共同承辦，得到了國際半導體照明聯(lián)盟、國際信息顯示學會、亞歐第三代半導體科技創(chuàng)新合作中心的大力支持。論壇立足“雙碳”目標下第三代半導體產(chǎn)業(yè)的新形勢、新機遇，圍繞第三代半導體技術發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢展望及對能源、交通、信息等領域高質(zhì)量發(fā)展的支撐作用等展開交流，進一步構建開放創(chuàng)新平臺，共建全球產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，助力北京國際科技創(chuàng)新中心建設。

論壇主題報告環(huán)節(jié)，IEEE國際寬禁帶半導體技術路線圖委員會(ITRW)主席、美國北卡羅萊納州立大學教授、國際電氣和電子工程師協(xié)會會士(IEEE Fellow)Victor Veliadis分享了碳化硅功率半導體器件技術的最新研究進展。

成本正不斷推動碳化硅制造升級

當前，汽車領域的諸多應用是促進碳化硅和氮化鎵電力電子元應用增長的重要推動力，碳化硅在電動汽車領域主要用于主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載 DC/DC)和非車載充電樁等，有很高的競爭優(yōu)勢。

由于碳化硅晶圓在碳化硅器件成本中占比較高，也推動著垂直整合的形成，英飛凌、意法半導體、羅姆以及安森美等公司都在尋找可靠的襯底來源，努力通過收購公司或進行研發(fā)來確保內(nèi)部襯底供應，以降低從外部購買襯底時必須支付的費用。隨著晶圓技術的進步，成本也將不斷降低。

就碳化硅器件的制造而言，多種成熟的硅制程已成功應用到碳化硅上。然而，碳化硅特殊的材料特性要求開發(fā)最適當?shù)奶蓟韫に?，其參?shù)必須經(jīng)過優(yōu)化并合格。硅代工廠中制作碳化硅會涉及到干法刻蝕、摻雜、高溫離子注入等主要工藝流程。隨著碳化硅市場的增長擴大，已經(jīng)有多個供應商提供碳化硅測量和檢驗設備。

這意味著必須購買新設備，鑒于碳化硅的尺寸允許在一家成熟的已經(jīng)完全折舊的晶圓廠中加工晶圓，這意味著可以選擇一家沒有升級為最新節(jié)點的老舊硅代工廠。只需少量資金，就可以在這家晶圓廠加工碳化硅晶圓，真正為這家晶圓廠注入新的活力。在專用設備方面，需要高溫退火設備，必須有高溫離子注入機。晶圓減薄，則需要碳化硅背面研磨設備。需要淀積金屬，像Ti、Cr和TiW，以及Ni。為了形成歐姆接觸，可以用激光工具，但也可以用硅的快速熱退火設備。對于碳化硅襯底和外延，需要缺陷檢測和測試工具。

目前，在美國及世界各地都有充滿活力的碳化硅晶圓廠的基礎設施。比如硅的IDM企業(yè)，專注制造的優(yōu)秀代工廠，設計公司等。其中，就IDM企業(yè)而言，美國的Wolfspeed、Microchip、通用電氣和安森美基本上都是自己制造器件。代工廠，有xFAB和Sicamore semi。

可靠且耐用的器件助力碳化硅電力電子市場實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化

較高的器件成本、缺陷、可靠性和耐用性問題，以及對人才培訓的需求是大規(guī)模采用寬禁帶半導體材料面臨的一些障礙。目前碳化硅器件成本高于硅，但從系統(tǒng)層面應用來看，基于硅的光伏逆變器的器件成本約為碳化硅的1/3，但總體系統(tǒng)成本更高。因為碳化硅和氮化鎵可以在更高的頻率運行，總體上可以縮小磁性材料和無源部件的尺寸。因此，在當今的許多應用中，與硅的系統(tǒng)成本相比，使用碳化硅的總體系統(tǒng)成本非常具有競爭力。通過大規(guī)模商業(yè)化在系統(tǒng)中節(jié)省的成本抵消并超過制造碳化硅器件所需的較高成本。

可靠且耐用的器件才能使碳化硅電力電子市場實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，需要最大限度地減少致命的材料缺陷，涉及基面位錯，高溫熱處理、離子注入和鎳等，可以幫助消除制程中缺陷的產(chǎn)生。此外，要降低閾值電壓的不穩(wěn)定性，這是由于碳化硅柵氧界面的陷阱。需要一種高質(zhì)量的柵氧界面，不僅能提供更好的遷移率，更高的遷移率并降低電阻，也能消除閾值電壓不穩(wěn)定性這一可靠性問題。

此外，需要安全運行區(qū)間與硅類似的耐用的碳化硅器件，值得慶幸的是，如今有快速智能儀表，具有預測和診斷功能，可以非?？焖俚貦z測到故障，并評估是否是真正的故障事件，并在碳化硅器件的短路時間范圍內(nèi)關閉電路。碳化硅器件會引起雪崩，因此需要具有較高的雪崩耐量。

此外，讓人們接受碳化硅和氮化鎵器件的使用和系統(tǒng)嵌入方面的培訓非常重要，碳化硅器件一個一個地去替代硅器件，將無法看到更多改進。所以，碳化硅和氮化鎵的技術教育非常重要。

嘉賓簡介

Victor Veliadis，IEEE國際寬禁帶半導體技術路線圖委員會(ITRW)主席、美國北卡羅萊納州立大學教授、國際電氣和電子工程師協(xié)會會士(IEEE Fellow)。在Power America，他管理1.46億美元的預算，分配給200個工業(yè)和大學項目，以加速WBG半導體清潔能源制造、勞動力發(fā)展和就業(yè)創(chuàng)造。擁有27項已發(fā)布的美國專利，以及超過125份同行評審出版物。Veliadis博士在半導體行業(yè)工作了21年，他的工作包括設計、制造和測試SiC器件、軍用雷達放大器的GaN器件，以及商業(yè)半導體工廠的財務和運營管理。擁有約翰·霍普斯金大學電氣工程博士學位。

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