以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第3代半导体材料,是继以硅(Si)基半导体为代表的第1代半导体材料和以砷化镓(GaAs)和锑化铟(InSb)为代表的第2代半导体材料之后,在近些年发展起来的新型半导体材料。与Si相比,GaN和SiC均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载流子迁移率等特点,更适合当前对高功率、高温、高能效以及轻便小型化的需求。第3代半导体凭借其优异属性,在国内外得到了强烈关注,正在迅速崛起,应用前景和市场潜力巨大。

  互连材料是连接半导体晶体管和元器件的关键材料,起着导电和导热的作用,影响着元器件电路导通、功能实现和稳定性。由于第3代半导体器件工作环境较Si半导体更为恶劣,其器件封装和互连也较传统Si器件提出更高的要求。本文主要介绍可用于第3代半导体器件的互连材料。

一、第3代半导体材料

  第3代半导体材料主要包括SiC、GaN、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),这些材料禁带宽度均>2.2ev,被称为宽禁带半导体材料,亦被称为高温半导体材料。目前,从第3代半导体材料和器件的研究进展来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,人们对ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究较少,尚属起步阶段。

  表1列出了半导体材料的关键性能对比。可以看出SiC热传导率是传统的Si、GaAs半导体材料的3~13倍,使得SiC器件可以在高温下长时间稳定工作;SiC和GaN的临界击穿电场是传统半导体材料的4~20倍,且具有更大的载流子饱和速率,在高功率电子器件方面有着巨大的性能优势。

二、纳米银膏

  烧结技术通过高温使材料表面原子互相扩散,从而形成致密晶体的过程,是20世纪90年代初Schwarzbauer等人基于烧结理论发明的一种连接方法,被称之为低温烧结技术(LTJT)。通常通过减小烧结颗粒的尺寸,可降低烧结温度。

  纳米银粉由于其独特的纳米特性,为半导体芯片的封装提供了另一个崭新的思路。银的熔点是961℃,而当颗粒尺寸到纳米级别,其熔点会显著降低,至100℃左右,因此可通过低温烧结实现电子产品或芯片的互联,而烧结后的烧结层熔点又恢复到银的常规熔点,可满足电子产品在高温下正常使用,并且银具有优异的导热导电性和良好的化学稳定性,是第3代半导体封装最具应用前景的互连材料。

  近些年,国内外研究人员展开了对银纳米膏的制备、烧结工艺及导电导热性能进行了大量分析评估。Moon[10]等的研究发现,20nm银粒子在150℃即可表现出明显的烧结行为,300℃下烧结可得到多孔优质银膜。Akada等对烧结温度和烧结气氛对烧结接头强度的影响做了研究。在国内,天津大学最早开展了银纳米膏低温烧结技术的研究。并发明了一种新型低温烧结纳米银技术,实现了多种具有双面散热能力的无引线封装工。清华大学闫剑锋等人对银纳米膏的烧结性能进行了研究,表明200℃条件下烧结30分钟,银烧结层为联通多孔结构,高于250℃时银颗粒出现明显的长大现象,如图2所示。天津大学杨呈祥等人开展了银纳米膏在大功率模块的性能研究,与SnAg3.0Cu0.5和导电胶2种连接材料进行对比,结果表明银纳米膏封装的大功率LED模块光电性能优异,且具有较强的长期可靠性。

 

  铜纳米膏由于其优良的导电导热性能和较低的成本也受到了广泛关注,然而由于铜容易在空气中被氧化,若想将纳米铜颗粒用于半导体功率器件互连中,面临一系列技术上的挑战。仅有美国Lockheed Martin公司,英国Intrinsiq公司开发出了具有有机物包覆层的纳米铜导电膏体。新加坡南阳理工大学C. S. Tan课题组使用美国Lockheed Martin公司的纳米铜膏进行低温烧结的研究,通过表面去氧化处理,掺杂微米铜颗粒等方法提高烧结结果。清华大学张颖川等人研究了银铜混合纳米膏的烧结特性,结果表明,制得的纳米银+纳米铜混合焊膏具有良好的防氧化特性。

       当然,以上都是研究机构或者国外的一些文献和公司,正真的批量化生产和供货以及售后服务都会存在很大的问题。善仁新材料科技有限公司作为国内研究纳米银应用的专业公司,在纳米银应用方面有着丰富的研发,生产和服务经验,公司生产的纳米银墨水,纳米银胶,纳米银浆和纳米银膏具有广泛的客户使用基础,产品主要应用在精细线路制作,金属网格,太阳能电池,LED封装,第三代半导体等领域,产品得到客户的一致好评。

  纳米膏由于可以实现低温烧结高温使用,为第3代半导体连接材料提供了一个崭新的思路,但在产业化和大规模使用上还有很长的路要走,比如烧结焊层的孔隙率、与基材之间的结合强度、载体残留等问题还需亟待解决。

、展望

  第3代半导体材料由于具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用,受到了世界各国的高度重视,欧美日等发达国家和地区都把发展第3代半导体技术列入国家战略。我国也将第3代半导体产业纳入战略发展的重要产业,2013年科技部在国家高技术研究发展计划(863计划)新材料技术领域项目征集指南中,也特别指出了要将第3代半导体材料及应用列入重要研究内容。2015年,第3代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)的成立,为我国第3代半导体的发展建立了研发和交流平台,对推动我国第3代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。

  第三代半导体材料是近年来迅速发展起来的以GaN、SiC和ZnO为代表的新型半导体材料,具有禁带宽度大,击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的优点,是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”,在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景,可望成为支撑信息、能源、交通、国防等发展的重点新材料,正在成为全球半导体产业新的战略高地。