后摩尔时代的第三代半导体-碳化硅技术优势介绍

随着国家“双碳战略”的推进，新能源产业和电动汽车产业蓬勃发展，产生了对功率转换装置如太阳能逆变器，电动汽车充电桩，车载充电器和马达驱动器等的巨大需求，半导体功率器件是上述各种功率转换装置的核心。而碳化硅（SiC）材料具有耐高温和高压的特点，基于SiC的器件还具有高开关频率和低静态功耗，在高电压和大电流的领域，SiC都被认为是将取代硅成为功率器件的主流材料。

1后摩尔时代的第三代半导体

半导体材料目前已经发展至第三代。传统硅基半导体由于自身物理性能不足以及受限于摩尔定律，逐渐不适应于半导体行业的发展需求，砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体也因而诞生。从技术来看，半导体材料目前已发展了三代。

第一代半导体材料以传统的硅（Si）和锗（Ge）为代表，是集成电路制造的基础，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的；

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域；

第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等新兴材料为代表。

图 1 半导体发展路线

相较前两代半导体，第三代半导体物理性能相对更出色，有望在各个领域实现对前两代全面替代。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面，碳化硅、氮化镓性能更为出色，在5G通信、新能源汽车、光伏等领域，头部企业逐步使用第三代半导体。在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有望迎来快速发展机遇，待成本下降有望实现全面替代。

表 1 第三代半导体简介（左）和各代半导体物理性能对比（右）

2SiC是第三代半导体材料的代表

第三代半导体经典的应用是碳化硅。本报告也主要侧重对碳化硅的发展状况进行介绍和分析。

碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今。自碳化硅被发现后数十年，发展进程一直较为缓慢。直到科锐（即Cree，现更名为Wolfspeed）成立并开始碳化硅的商业化，碳化硅行业在此后25年开始进入快速发展阶段。

碳化硅具有众多技术优势，宽禁带特性有助于提高碳化硅器件的稳定性，使其具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性，显著提升器件功率密度，从而利于系统散热与终端小型轻便化；高击穿电场强度特性有助于提高碳化硅器件的功率范围，降低通电电阻，使其具备耐高压性和低能耗性，利于器件薄化的同时提高系统驱动力；高饱和电子漂移速率特性意味着较低的电阻，显著降低能量损失，简化周边被动器件，大幅提升开关频率同时提高整机效率。

表2碳化硅技术优势

基于以上特性，以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方面更加具有优势：（1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。（3）更低的能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，使得碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。

根据ROHM的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET导通电阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。对于相同规格的逆变器来说，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系统总能量损失小于1/4。

3SiC的分类

根据衬底材料的不同，碳化硅主要可以分为半绝缘型和导电型，两类衬底的主要区别是电化学性能不同，这两类衬底经外延生长后分明用于制造功率器件、射频器件等分立器件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成HEMT等氮化镓射频器件。

导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。

表3碳化硅的分类

碳化硅功率器件芯片封装清洗：

研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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