硅通常是半導體技術的基石。然而，硅也有局限性，尤其在電力電子領域，設計人員面臨著越來越多的新難題。解決硅局限性的一種方法是使用寬禁帶半導體。本文為白皮書第一部分，將重點介紹寬禁帶半導體基礎知識及碳化硅制造挑戰。

寬禁帶半導體

顧名思義，寬禁帶半導體（例如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)），是通過其最重要的電氣特性“禁帶”來描述的一類半導體。禁帶是價帶頂部和導帶底部之間的能量差。類似硅的半導體具有相對較窄的禁帶，范圍為0.6 – 1.5電子伏特(eV)。（圖1）

圖 1：寬禁帶物理特性

寬禁帶半導體（續）

寬禁帶材料具有超過2電子伏特的禁帶。寬禁帶半導體越來越受重視，因為這些較大禁帶的半導體在許多功率應用中具有比硅更勝一籌的特性，更像絕緣體。例如，寬禁帶半導體可以在更高的電壓、更高的頻率和更高的溫度下運行。（圖2）這使它們更適合高電壓和高功率應用，例如電動汽車（EV）中的牽引逆變器，在此類應用中需要快速開關功能和高壓工作，以將車輛電池的直流電源轉換為交流電。由于材料特性，基于碳化硅的逆變器可以延長電動車的行駛里程。

圖2：寬禁帶的優勢

碳化硅

在各種寬禁帶半導體中，碳化硅（SiC）已經成為極具吸引力的材料，特別適用于高功率轉換應用，包括電動汽車（EV）中的牽引逆變器和車載充電機，以及基礎設施應用如直流快充、太陽能逆變器、儲能和不間斷電源（UPS）。碳化硅已批量生產一個多世紀，主要用作研磨材料。幸運的是，它也表現出出色的特性，適用于高電壓、大功率應用。

例如，物理特性包括高熱導率、高飽和電子漂移速度和高擊穿電場。（圖3）因此，采用碳化硅構建的系統具有極低的能量損耗和更快的開關速度。此外，與硅MOSFET和IGBT器件相比，碳化硅可以在更小幾何尺寸下展現出這些優勢。

圖3：硅與寬禁帶材料的特性

碳化硅的運行，可以超過硅的極限，運行頻率也能比硅IGBT更高，還能顯著提高功率密度。（圖4）

圖4.SiC vs Si

碳化硅帶來的機遇

對于制造商而言，碳化硅被視為一種競爭利器，也是構建節能系統以及降低整體系統尺寸、重量和成本的機會。這是因為基于碳化硅的系統通常比基于硅的系統更節能、更小、更堅固，因此設計人員可以減小無源器件的尺寸和成本。更具體地說，由于碳化硅器件的發熱量較低，因此對于特定的應用，其運行溫度可以低于原方案。（圖5）

圖5：碳化硅應用優勢

考慮的一部分是實施新的芯片連接技術（例如燒結），這些技術有助于從器件中散熱并確保可靠的連接。與硅相比，碳化硅器件可以在更高的電壓下運行，并提供更快的開關速度。所有這些因素使設計人員能夠重新思考如何在系統級別實現最佳功能，并在價格方面更具競爭力。一些已經使用碳化硅的高性能器件，包括碳化硅二極管、碳化硅MOSFET以及碳化硅模塊。

與硅相比，碳化硅的卓越性能為新興的應用打開了大門。碳化硅器件的設計電壓不低于650V，特別是在1200V以上時，碳化硅成為各種應用的最佳解決方案。諸如太陽能逆變器、電動汽車充電樁和工業交流到直流轉換等應用，將在未來逐步遷移到碳化硅上。另一個應用是固態變壓器，現有的銅和磁性變壓器將將被替代。

碳化硅制造的挑戰

雖然碳化硅具有巨大的市場機會，但其制造過程也面臨著諸多挑戰。這些挑戰從確保原材料（技術上稱為顆粒或碳化硅粉末）的純度開始，到生成一致的碳化硅晶錠（圖6），然后是在每個后續加工步驟中積累實際經驗，以交付可靠的最終產品（圖7）。

碳化硅的一個獨特挑戰在于該材料不存在液相，因此無法通過熔融法生長晶體。晶體生長必須在精細控制的壓力下進行，這使其制造比硅更具挑戰性。如果碳化硅在高溫和低壓下保持不變，它會在不經過液相的情況下分解成氣態物質。

由于這種特性，碳化硅晶體通過升華或物理氣相傳輸（PVT）的氣相技術生長。碳化硅粉末被放置在爐內的坩堝中，加熱至高溫（超過2200°C），然后碳化硅升華并在晶種上結晶形成碳化硅晶體。采用這種方法生長材料的一個重要部分是晶種，其直徑與晶錠相似。使用PVT法，生長速率非常慢，大約為每小時0.1-0.5毫米。

圖6：碳化硅粉末、晶錠和晶圓

同樣，由于碳化硅相對于硅的極端硬度，制造晶片的過程也更加具有挑戰性。碳化硅是一種非常堅硬的材料，即使使用金剛石鋸也難以切割。金剛石般的硬度不同于許多其他半導體材料。雖然存在幾種將晶錠分離成晶片的方法，但這些方法可能會在單晶中引入缺陷。

圖7：碳化硅從原材料到最終產品的制造過程

還有一些規模化挑戰。與硅相比，碳化硅是一種缺陷較多的材料。碳化硅的摻雜是一個復雜的過程，而生產較大尺寸且缺陷更少的碳化硅晶圓，使得制造和加工成本居高不下。因此，從一開始確立良好的開發過程至關重要，以保持一致的高質量產出。盡管如此，8英寸的襯底開始進入市場，安森美（onsemi）也在為此助力。

圖8：挑戰–碳化硅晶圓和缺陷

碳化硅制造的挑戰(續)

幸運的是，企業在實現一致可靠的晶錠和晶圓方面投入了大量資金。還利用其在硅制造方面的經驗，對方法論和基礎材料科學進行了支撐。在發布產品到市場時，必須結合多個關鍵要素。

為此，碳化硅標準的開發正在進行中。在聯合電子器件工程委員會（JEDEC）、汽車電子委員會（AEC）和歐洲電力電子汽車認證組（AQG）內部，多個子團隊正在開展所需的工作，為該行業創建碳化硅標準。安森美積極參與這些標準的制定。包括AEC組和JEDEC委員會JC-70.2碳化硅電力電子轉換半導體標準。

圖 9：穩定的內在和外在可靠性的定義

未完待續，后續推文將繼續介紹碳化硅生態系統的不斷演進、安森美在碳化硅半導體生產中的優勢等。