第三代寬禁帶功率半導體在高溫、高頻、高耐壓等方面的優勢，且它們在電力電子系統和電動汽車等領域中有著重要應用。本文對其進行簡單介紹。

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶化合物半導體，被稱為第三代寬禁帶半導體。

優勢

高溫、高頻、高耐壓：相比第一代（Si、Ge）和第二代（GaAs、InSb、InP）半導體材料，第三代半導體材料在這些方面具備明顯優勢。

導通電阻小：降低了器件的導通損耗。

電子飽和速率和電子遷移率高：提高了器件的開關速度，降低了開關損耗，提高了轉換效率。

高頻特性：有助于減少電容和電感的值，降低無源和濾波元器件的成本。

高功率密度：降低了電路的規模、體積和重量，尤其適用于電動汽車等領域。

應用特性

GaN：具有最優秀的高頻特性，更多應用在射頻功率器件和快充場景。

SiC：頻率特性優秀，功率密度高，具有高頻優勢，適用于高結溫、高阻抗和高頻場合。

SiC的特質及晶圓制備

SiC（碳化硅）是一種具有多種結晶形態的化合物半導體材料，其同質多晶的特點源于其存在的一系列相似晶體結構的同質多型體。熱導率高，有利于散熱。電子飽和速率和電子遷移率高，提高器件的開關速度。抗電壓擊穿能力強，適用于高電壓應用。

熱膨脹系數低，有助于保持器件的穩定性。與硅基IGBT相比，SiC具有更高的擊穿場強、導熱系數和電池使用率。SiC器件的工作結溫高、工作頻率高、耐壓能力強，這些性能都優于傳統硅器件。

SiC晶圓制備

SiC晶圓的制備過程主要包括制作襯底、生長外延層和電路刻蝕等步驟。其中，制作襯底是最大的挑戰，主要難題是襯底內的缺陷。提拉法是硅基半導體晶圓襯底的主要制備方法，也稱為丘克拉斯基法。然而，對于SiC晶圓來說，提拉法并不是主要的制備方法，因為SiC的熔點非常高，難以用提拉法進行生長。SiC單晶體的生長方法主要有三類，如下：

總的來說，SiC作為一種高性能的半導體材料，隨著技術的不斷進步和成本的降低，SiC器件的市場規模有望進一步擴大。同時，我國也在積極發展SiC產業，加強研發和生產能力，以滿足國內外市場的需求。

第三代寬禁帶功率半導體器件的封裝

第三代寬禁帶半導體材料，如SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵），因其出色的物理和電學特性，在功率半導體器件領域展現出巨大的應用潛力。然而，這些材料的晶圓尺寸受限、工藝復雜性和高昂成本，限制了它們在功率分立器件領域的廣泛應用。盡管如此，SiC和GaN器件在特定領域，如汽車行業和光伏發電站逆變器中，因其高附加值和獨特性能，仍具有不可替代的優勢。

封裝挑戰與解決方案

晶圓尺寸與切割：第三代半導體材料的晶圓尺寸目前普遍在6寸以下，限制了封裝效率和成本。SiC的硬度極高，傳統金剛刀切割效率低且刀具壽命短。因此，開發了激光隱性切割系統，配合裂片擴片機，提高了切割效率和質量。

封裝工藝：封裝過程中，SiC模塊需要采用銀燒結和粗銅線工藝來提高可靠性。銀燒結技術可以顯著提高功率循環壽命，超過10萬次。粗銅線做內互聯降低了封裝內阻，提高了大電流的過載能力，同時保持了內互聯的靈活性。高導熱塑封料的使用進一步提高了封裝的散熱能力。

材料特性與可靠性：SiC模塊在相同電流下芯片面積較小，但其泊松比和楊氏模量較高，導致在傳統封裝材料和工藝條件下，SiC模塊的壽命可能不如Si基模塊。因此，對于SiC芯片做功率模塊，必須采用銀燒結等先進封裝技術，以確保性能優越和可靠性高。

封裝技術的發展趨勢

新材料與新工藝：隨著第三代半導體材料的不斷發展，封裝技術也在不斷創新。新材料如高導熱塑封料、新工藝如激光隱性切割和銀燒結等，將進一步提升封裝效率和可靠性。

模塊化與集成化：為了提高功率密度和降低成本，第三代半導體器件的封裝正朝著模塊化和集成化方向發展。這不僅可以提高器件的性能和可靠性，還可以簡化系統設計和制造流程。

成本優化：盡管第三代半導體材料的成本較高，但隨著技術的進步和市場規模的擴大，成本有望逐漸降低。同時，通過優化封裝工藝和材料選擇，也可以在一定程度上降低成本。

第三代寬禁帶功率半導體器件的應用

SiC（碳化硅）作為第三代寬禁帶半導體材料，具有優異的物理和電學特性，使其在功率半導體器件領域具有廣泛的應用前景。以下是SiC器件的主要應用領域：

汽車行業：SiC SBD（肖特基二極管）和SiC MOS（金屬氧化物半導體場效應晶體管）是目前最為常見的SiC基器件。SiC模塊在電動汽車中得到了廣泛應用。SiC器件能夠提高充電速度和驅動效率，降低能耗，從而提升電動汽車的整體性能。

電力電子變壓器（PET）：SiC IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是未來電力電子變壓器中最有可能的候選器件，能夠滿足更高頻率、更大耐壓、更大功率等場合的需求，從而突破傳統PET的瓶頸。

其他高附加值領域：由于SiC器件的高性能和穩定性，它們還適用于光伏發電站的逆變器、不間斷電源（UPS）等對成本不太敏感但對性能要求較高的領域。