集微公開課第十七期：精益求精！基本半導體的SiC功率器件探索之路
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5月28日（週四）上午10:00，第十七期公開課邀請到基本半導體技術營銷總監魏煒，帶來了以《碳化硅功率器件技術及可靠性討論》為主題的精彩演講。
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隨着碳化硅（SiC）功率器件的出現，半導體器件性能也獲得極大提升，從而極大促進了電力電子行業的發展。據Yole預測，到2023年SiC功率器件市場規模預計將達14億美元。在此背景下，SiC器件也獲得了越來越多國內廠商的青睞，許多企業加大了對SiC器件技術的投入，力圖搶佔風口，獲得競爭優勢。
深圳基本半導體有限公司（下文簡稱“基本半導體”）便是在SiC領域進行探索的佼佼者之一。作為中國第三代半導體行業領軍企業，基本半導體專業從事碳化硅功率器件的研發與產業化，掌握國際領先的碳化硅核心技術，研發覆蓋碳化硅功率器件的材料製備、芯片設計、製造工藝、封裝測試、驅動應用等產業全鏈條，先後推出全電流電壓等級碳化硅肖特基二極管、首款國產通過工業級可靠性測試的1200V碳化硅MOSFET、車規級全碳化硅功率模塊等系列產品，性能達到國際先進水平，應用於新能源、電動汽車、智能電網、軌道交通、工業控制、國防軍工等領域。
開場後，魏煒首先介紹了SiC材料的產業情況及可靠性概況。作為一種優質的半導體材料，SiC從原始材料到製成器件需要經歷從粉末、晶錠、襯底、外延片、硅晶圓、硅芯片、器件封測到電力電子模組等一系列製備環節。
其中，作為這一過程中的關鍵元器件，SiC襯底也經歷了漫長的發展。從1990年代的2inch發展到2016年的6inch，目前8英寸襯底已有樣品。
而在SiC器件的發展情況方面，2015年起，SiC器件生產線已逐步從4寸線轉向6寸線，國際上單極型的600V-1700V級4H-SiC JBS和MOSFET已實現商業化，2019年，CREE公司宣佈將建設8寸碳化硅產線，成為SiC器件發展的標誌性事件。
隨後，魏煒着重介紹了SiC器件價值鏈中襯底、外延、晶圓、器件封測4個最關鍵環節。同時，魏煒也介紹了SiC單晶的特點。他表示，SiC單晶有多達250餘種同質異構體，但用於製作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。而在生長SiC單晶時，如果不做精確的控制，將會得到其他的SiC晶體結構（3C，6H，15R等結構）。“這是我們需要極力避免出現的情況。”魏煒強調。
在介紹昇華PVT、HT-CVD、LPE(溶液生長法)三種SiC單晶晶錠製備方法時，魏煒指出，95%的商用SiC晶錠都是用PVT法生長的，隨後他詳述了這一單晶晶錠生長技術，以及這一方法的缺陷問題。
為了彌補SiC 襯底片存在的缺陷，魏煒隨後介紹了襯底的保護層——外延層。“外延層消除了許多在晶體生長和其後的晶片加工中所引入的表面或近表面的缺陷。”魏煒介紹到，SiC 外延層的常用生長工藝為化學氣相沉澱法（CVD）。
不過，即便作為一種保護材料，外延層本身也會SiC的外延層也包含表面形貌缺陷、微管缺陷、位錯等主要缺陷。魏煒介紹了這些缺陷與襯底片缺陷的關聯關係。
最後，魏煒概括了SiC的兩大挑戰：一方面是SiC襯底需要更加成熟的一個生長技術來擴大尺寸，降低價格；另一方面則是SiC質量方面的問題。
在第二部分中，魏煒則介紹了芯片研發環節的可靠性。區別於質量是指衡量器件在當前是否滿足規定的標準要求這一定義，魏煒表示，可靠性是衡量器件壽命期望值，也就是可以通過可靠性結果計算器件需要多久持續滿足規範要求。
隨後，魏煒詳細介紹了可靠性試驗的定義、特點、類別。目前，針對SiC器件的可靠性試驗，目前基本半導體已經進行並擁有了HTRB （高温反偏）、HVH3TRB（高壓高温高濕反偏測試）、TC（温度循環測試）、AC/PCT（高温蒸煮測試）、IOL（間歇工作壽命測試）、HTGB（高温門極偏置測試）等可靠性試驗方法。
“基本半導體一直按照較高的標準進行器件的可靠性驗證。”魏煒表示，工業級產品可靠性驗證通常選取樣品數為22，基本半導體將樣本數按照汽車級（AEC-Q101）的要求提高到77片，並定義為企業標準，而實驗標準更嚴苛；同時，按照工業標準JESD22-A101, H3TRB對被測對象的反壓最高只有100V。“基本半導體認為這是不夠嚴苛的，因此將施加的反壓提高到80%BV，即對1200V器件，施加960V的反壓。”魏煒指出。
此外，在第三部分封裝的可靠性方面，魏煒着重介紹了基本半導體在關於AEC-Q系列汽車級認證、端子強度、耐焊接熱、可焊性、推力拉力剪切力測試、無鉛器件要求等方面的可靠性測試項目。