高温半导体技术助力碳化硅性能发挥极致

高温半导体技术助力碳化硅性能发挥极致

陈质彬

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摘要：随着光伏产业的发展，作为传统磨料的碳化硅，由于其硬度高、粒度小且粒径分布集中等性质成为硅片切割中的主要切削介质。为了保证切割过程的稳定需要加入大量的切割砂浆，其主要成分就是碳化硅。由于切割时外力的作用使碳化硅砂浆最终不能符合切割要求而成为废料，该废料中含有大量的碳化硅，导致原料的大量浪费。如果将其回收之后再应用于工程实践中，不仅可以防止资源浪费，而且也改善了环境污染等问题，符合我国资源节省、环境协调和可持续绿色发展的战略需求。

关键词：高温半导体技术;碳化硅性能;发挥极致

引言

以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带材料，被称为第三代半导体材料，具有禁带宽大、击穿电场强度高、抗辐射能力强等性能优势，适合制造微波射频、光电子、电力电子等器件，适用于高电压和高功率场景，被广泛应用于能源、交通、信息等众多领域，是目前5G通信、特高压输电、新能源汽车芯片控制材料的首选材料。设备行业由于具有技术壁垒高、研发难度大、研发周期长的特点，并且涉及数学、物理、化学、光学、力学等多个基础学科，成为制约碳化硅材料发展的最关键环节之一。

1特种SoI高温半导体技术

温度是硅基半导体器件的命门，过高温度常常带来硅半导体的温度载流子效应和结温效应。具体地讲，随着温度的升高，由于热效应自然产生电子空穴对，硅基的本征载流子浓度不断升高，由此支撑半导体结工作的、最为重要的掺杂载流子浓度受到抑制，导致半导体结的性能不断下降。一般而言，此效应在70℃以上就开始十分明显，升到150-200℃范围时，硅基半导体几乎完全导电，已经不再是“半导体”了。另外，半导体器件中最为核心的结构是PN结势垒，它是构成二极管和MOSFET的基础元素；然而，当温度升高到150-200℃之间时，本征载流子浓度升高的程度，会使得该PN结势垒消失而导致半导体性能崩溃。基于硅基半导体材料的温度局限，半导体行业一般将消费和商业电子应用定标在最高70℃，汽车电子应用定标在最高85℃，军用电子应用则定标在最高125℃。在不断拓展的应用需求的推动下，国际领先的半导体厂家一直在挑战上述的温度极限，尝试开发更高耐受结温的半导体器件。高温半导体器件的总体需求表现在两个重要方面：第一，应用环境本身就是高温环境：例如，航天项目中面临的外星环境（月球表面，白天温度可高达127℃）；再如，石油钻探中的深度地层环境（超过7000米的井下，视井深可高达到150、175，甚至200℃以上）；还有，在飞机、火车、船舶和汽车系统应用中，发动机、电动机及其周边的环境温度经常都在150℃以上。第二，电力电子本身耗散功率导致的温升：所有电力电子，包括MOSFET、电源模块及驱动模块等等，都会有一定的内部耗散功率，特别是在高功率密度的应用中，因此热管理（导热和散热设计）显得尤为重要。这是因为如果处置不当，电力电子器件自身发热带来的温升，会使得器件的寿命大为缩短。解决温度难题的直观办法当然就是热交换，通常的解决方案就是附加液冷系统，但这又带来了体积和重量增加的问题，甚至可靠性的问题：基于机械的液冷系统，通常都有较低的可靠性和可维护性问题，将会拖累电力电子的高可靠性，从而使得整个系统的可靠性降低。此外，在某些特殊应用场景下，人们无法安装和配备相应的液冷系统时，电力电子自身发热就成为了致命的难题。半导体器件多是通过复杂的、掺杂的物理和化学工艺流程制作而成的。半导体器件的工作温度是决定其可靠性、工作寿命的关键因素之一。一般而言，半导体器件的工作温度越高，则工作寿命越短，反映这一半导体温度-寿命关系的曲线即是Arrhenius模型。

2切割设备

国内主要设备厂家包括中国电子科技集团公司第四十五研究所、唐山晶玉和湖南宇晶等，国产设备在切割效率、加工精度、可靠性和工艺成套性等方面与国外设备有一定差距，100～150mmSiC晶体切割设备线速度水平只能达到1500m/min。半导体材料加工设备一直是中国电子科技集团公司第四十五研究所的主要研究方向，从内/外圆切片机到金刚线单线/多线切割机，切割工艺覆盖钢线带砂浆的游离切割到金刚线高速切割。目前中国电子科技集团公司第四十五研究所生产的金刚石多线切割设备可以满足100～150mm碳化硅晶片切割需求，线速度水平达到1500m/min。同时正在积极开展200mm碳化硅多线切割设备关键技术的攻关。

3耐高温碳化硅智能功率模块（IPM）的应用前景

电动汽车的动力总成（电机、电控和变速箱）已走向三合一，但目前仅仅是在结构上堆叠在一起，属于弱整合。根本原因在于不同部位有不同的温度控制需求，例如，电机一般长期工作耐受温度可达150℃左右（特殊高温电机可达更高额定工作温度），而电控箱一般长期工作耐受温度可达70-85℃左右，这即是目前普通硅器件能够保证长期工作的温度范围。然而，Cissoid耐高温驱动器件和电路匹配碳化硅功率模块却能突破这一技术瓶颈，并将给电动汽车设计带来新的突破。首先，可使电控箱的控制温度与电机的控制温度相匹配，这样有利于与其深度整合，简化冷却系统的布局，例如使用合并的油基液体冷却电机和电控，甚至在某些中低功率的电动车上完全放弃液冷，而采用自然风冷。总之，未来在结构上，动力总成的深度整合是必然路径，因为，这样可能使体积减少约三分之一，重量减少约三分之一，内耗减少约三分之一，并有可能使总成本压缩2至4倍。

4表面陷阱分布特性

一般认为，涂层表面电荷的消散主要有三种途径：①表面电荷与空气中的带电离子中和；②表面电荷沿着涂层表面迁移至接地极；③表面电荷进入涂层内部，穿越涂层向接地极迁移。由于浅陷阱能级较低，对涂层表面的载流子的限制能力不足，载流子被浅陷阱捕获之后，很容易在外界电场作用下脱陷；而深陷阱捕获载流子之后，对载流子的限制较强，容易形成电荷中心，造成电场畸变，从而诱发沿面闪络[3]。

结束语

随着第三代半导体如SiC功率半导体器件的日趋成熟和普及，其固有的耐高温性能与Cissoid高温半导体器件是非常理想的搭配，可以充分发挥SiC功率器件的性能，使高功率密度和高温应用成为可能。因此，Cissoid的特种SoI高温半导体技术与SiC功率器件的完美配合，可使得SiC功率器件的性能得以充分地发挥，必将大大改变电力电子系统设计的格局，为设计工程师提供全新的拓展空间。

参考文献

[1]杜宇琦.高温高功率半导体激光阵列芯片及器件特性研究[D].中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所),2021.DOI:10.27605/d.cnki.gkxgs.2021.000062.

[2]郭金笛.碳化硅基半导体材料硬度及热导率研究[D].山东大学,2021.DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2021.000886.

[3]周伟成.碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究[D].浙江大学,2019.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000032.

[4]徐猛.半导体和金属高温介电函数的椭偏测量及第一性原理模拟[D].哈尔滨工业大学,2019.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000525.

[5]邵勇,郭平义,赖永彪,张宇,孙杭.高温或超高温半导体膜面比电阻实时监测系统的设计与研究[J].教育现代化,2017,4(33):178-179.DOI:10.16541/j.cnki.2095-8420.2017.33.064.