以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度 、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)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(lǐng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)以及很好的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

5月28日，2023中關(guān)村論壇北京（國(guó)際）第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展論壇在中關(guān)村國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)展示中心舉辦。本次論壇由科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、北京市人民政府主辦，北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中關(guān)村科技園區(qū)管理委員會(huì)，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局，北京市順義區(qū)人民政府，北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟共同承辦，得到了國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟、國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)、亞歐第三代半導(dǎo)體科技創(chuàng)新合作中心的大力支持。論壇立足“雙碳”目標(biāo)下第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新形勢(shì)、新機(jī)遇，圍繞第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)展望及對(duì)能源、交通、信息等領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的支撐作用等展開(kāi)交流，進(jìn)一步構(gòu)建開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)，共建全球產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，助力北京國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)。

論壇主題報(bào)告環(huán)節(jié)，IEEE國(guó)際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會(huì)(ITRW)主席、美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)教授、國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士(IEEE Fellow)Victor Veliadis分享了碳化硅功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的最新研究進(jìn)展。

成本正不斷推動(dòng)碳化硅制造升級(jí)

當(dāng)前，汽車領(lǐng)域的諸多應(yīng)用是促進(jìn)碳化硅和氮化鎵電力電子元應(yīng)用增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力，碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

由于碳化硅晶圓在碳化硅器件成本中占比較高，也推動(dòng)著垂直整合的形成，英飛凌、意法半導(dǎo)體、羅姆以及安森美等公司都在尋找可靠的襯底來(lái)源，努力通過(guò)收購(gòu)公司或進(jìn)行研發(fā)來(lái)確保內(nèi)部襯底供應(yīng)，以降低從外部購(gòu)買襯底時(shí)必須支付的費(fèi)用。隨著晶圓技術(shù)的進(jìn)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(yīng)用到碳化硅上。然而，碳化硅特殊的材料特性要求開(kāi)發(fā)最適當(dāng)?shù)奶蓟韫に?，其參?shù)必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化并合格。硅代工廠中制作碳化硅會(huì)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(chǎng)的增長(zhǎng)擴(kuò)大，已經(jīng)有多個(gè)供應(yīng)商提供碳化硅測(cè)量和檢驗(yàn)設(shè)備。

這意味著必須購(gòu)買新設(shè)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(méi)有升級(jí)為最新節(jié)點(diǎn)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(shè)備方面，需要高溫退火設(shè)備，必須有高溫離子注入機(jī)。晶圓減薄，則需要碳化硅背面研磨設(shè)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(shè)備。對(duì)于碳化硅襯底和外延，需要缺陷檢測(cè)和測(cè)試工具。

目前，在美國(guó)及世界各地都有充滿活力的碳化硅晶圓廠的基礎(chǔ)設(shè)施。比如硅的IDM企業(yè)，專注制造的優(yōu)秀代工廠，設(shè)計(jì)公司等。其中，就IDM企業(yè)而言，美國(guó)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(chǎng)實(shí)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(wèn)題，以及對(duì)人才培訓(xùn)的需求是大規(guī)模采用寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)用來(lái)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?yàn)樘蓟韬偷壙梢栽诟叩念l率運(yùn)行，總體上可以縮小磁性材料和無(wú)源部件的尺寸。因此，在當(dāng)今的許多應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)大規(guī)模商業(yè)化在系統(tǒng)中節(jié)省的成本抵消并超過(guò)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(chǎng)實(shí)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(cuò)，高溫?zé)崽幚?、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(wèn)題。

此外，需要安全運(yùn)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(yù)測(cè)和診斷功能，可以非?？焖俚貦z測(cè)到故障，并評(píng)估是否是真正的故障事件，并在碳化硅器件的短路時(shí)間范圍內(nèi)關(guān)閉電路。碳化硅器件會(huì)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(xùn)非常重要，碳化硅器件一個(gè)一個(gè)地去替代硅器件，將無(wú)法看到更多改進(jìn)。所以，碳化硅和氮化鎵的技術(shù)教育非常重要。

嘉賓簡(jiǎn)介

Victor Veliadis，IEEE國(guó)際寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會(huì)(ITRW)主席、美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)教授、國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)士(IEEE Fellow)。在Power America，他管理1.46億美元的預(yù)算，分配給200個(gè)工業(yè)和大學(xué)項(xiàng)目，以加速WBG半導(dǎo)體清潔能源制造、勞動(dòng)力發(fā)展和就業(yè)創(chuàng)造。擁有27項(xiàng)已發(fā)布的美國(guó)專利，以及超過(guò)125份同行評(píng)審出版物。Veliadis博士在半導(dǎo)體行業(yè)工作了21年，他的工作包括設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試SiC器件、軍用雷達(dá)放大器的GaN器件，以及商業(yè)半導(dǎo)體工廠的財(cái)務(wù)和運(yùn)營(yíng)管理。擁有約翰·霍普斯金大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。

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