美国北卡罗莱纳州立大学教授Victor Veliadis：碳化硅功率半导体器件技术

以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度 、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力等特性，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件。其中，碳化硅具有高频率、高效率、高可靠性、耐高压、耐高温、低损耗的优异特性，是支撑新能源汽车发展的关键技术之一。不同的需求匹配不同的材料，在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，比如100V到650V以及更高的电压范围，氮化镓、碳化硅器件有很好的竞争优势以及很好的应用机会。

5月28日，2023中关村论坛北京（国际）第三代半导体创新发展论坛在中关村国家自主创新示范区展示中心举办。本次论坛由科学技术部、工业和信息化部、北京市人民政府主办，北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会，北京市经济和信息化局，北京市顺义区人民政府，北京第三代半导体产业技术创新战略联盟共同承办，得到了国际半导体照明联盟、国际信息显示学会、亚欧第三代半导体科技创新合作中心的大力支持。论坛立足“双碳”目标下第三代半导体产业的新形势、新机遇，围绕第三代半导体技术发展现状、趋势展望及对能源、交通、信息等领域高质量发展的支撑作用等展开交流，进一步构建开放创新平台，共建全球产业链生态圈，助力北京国际科技创新中心建设。

论坛主题报告环节，IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会(ITRW)主席、美国北卡罗莱纳州立大学教授、国际电气和电子工程师协会会士(IEEE Fellow)Victor Veliadis分享了碳化硅功率半导体器件技术的最新研究进展。

成本正不断推动碳化硅制造升级

当前，汽车领域的诸多应用是促进碳化硅和氮化镓电力电子元应用增长的重要推动力，碳化硅在电动汽车领域主要用于主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩等，有很高的竞争优势。

由于碳化硅晶圆在碳化硅器件成本中占比较高，也推动着垂直整合的形成，英飞凌、意法半导体、罗姆以及安森美等公司都在寻找可靠的衬底来源，努力通过收购公司或进行研发来确保内部衬底供应，以降低从外部购买衬底时必须支付的费用。随着晶圆技术的进步，成本也将不断降低。

就碳化硅器件的制造而言，多种成熟的硅制程已成功应用到碳化硅上。然而，碳化硅特殊的材料特性要求开发最适当的碳化硅工艺，其参数必须经过优化并合格。硅代工厂中制作碳化硅会涉及到干法刻蚀、掺杂、高温离子注入等主要工艺流程。随着碳化硅市场的增长扩大，已经有多个供应商提供碳化硅测量和检验设备。

这意味着必须购买新设备，鉴于碳化硅的尺寸允许在一家成熟的已经完全折旧的晶圆厂中加工晶圆，这意味着可以选择一家没有升级为最新节点的老旧硅代工厂。只需少量资金，就可以在这家晶圆厂加工碳化硅晶圆，真正为这家晶圆厂注入新的活力。在专用设备方面，需要高温退火设备，必须有高温离子注入机。晶圆减薄，则需要碳化硅背面研磨设备。需要淀积金属，像Ti、Cr和TiW，以及Ni。为了形成欧姆接触，可以用激光工具，但也可以用硅的快速热退火设备。对于碳化硅衬底和外延，需要缺陷检测和测试工具。

目前，在美国及世界各地都有充满活力的碳化硅晶圆厂的基础设施。比如硅的IDM企业，专注制造的优秀代工厂，设计公司等。其中，就IDM企业而言，美国的Wolfspeed、Microchip、通用电气和安森美基本上都是自己制造器件。代工厂，有xFAB和Sicamore semi。

可靠且耐用的器件助力碳化硅电力电子市场实现大规模商业化

较高的器件成本、缺陷、可靠性和耐用性问题，以及对人才培训的需求是大规模采用宽禁带半导体材料面临的一些障碍。目前碳化硅器件成本高于硅，但从系统层面应用来看，基于硅的光伏逆变器的器件成本约为碳化硅的1/3，但总体系统成本更高。因为碳化硅和氮化镓可以在更高的频率运行，总体上可以缩小磁性材料和无源部件的尺寸。因此，在当今的许多应用中，与硅的系统成本相比，使用碳化硅的总体系统成本非常具有竞争力。通过大规模商业化在系统中节省的成本抵消并超过制造碳化硅器件所需的较高成本。

可靠且耐用的器件才能使碳化硅电力电子市场实现大规模商业化，需要最大限度地减少致命的材料缺陷，涉及基面位错，高温热处理、离子注入和镍等，可以帮助消除制程中缺陷的产生。此外，要降低阈值电压的不稳定性，这是由于碳化硅栅氧界面的陷阱。需要一种高质量的栅氧界面，不仅能提供更好的迁移率，更高的迁移率并降低电阻，也能消除阈值电压不稳定性这一可靠性问题。

此外，需要安全运行区间与硅类似的耐用的碳化硅器件，值得庆幸的是，如今有快速智能仪表，具有预测和诊断功能，可以非常快速地检测到故障，并评估是否是真正的故障事件，并在碳化硅器件的短路时间范围内关闭电路。碳化硅器件会引起雪崩，因此需要具有较高的雪崩耐量。

此外，让人们接受碳化硅和氮化镓器件的使用和系统嵌入方面的培训非常重要，碳化硅器件一个一个地去替代硅器件，将无法看到更多改进。所以，碳化硅和氮化镓的技术教育非常重要。

嘉宾简介

Victor Veliadis，IEEE国际宽禁带半导体技术路线图委员会(ITRW)主席、美国北卡罗莱纳州立大学教授、国际电气和电子工程师协会会士(IEEE Fellow)。在Power America，他管理1.46亿美元的预算，分配给200个工业和大学项目，以加速WBG半导体清洁能源制造、劳动力发展和就业创造。拥有27项已发布的美国专利，以及超过125份同行评审出版物。Veliadis博士在半导体行业工作了21年，他的工作包括设计、制造和测试SiC器件、军用雷达放大器的GaN器件，以及商业半导体工厂的财务和运营管理。拥有约翰·霍普斯金大学电气工程博士学位。

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