浅析化合物半导体特性及封装工艺控制

2021-12-25梁虎

科学与信息化 2021年3期

梁虎

上海交通大学研究生院上海 200030

化合物半导体最少由两种元素所构成，当前常用的化合物半导体材料有很多，主要有磷化镓、氮化镓、磷化铟、砷化镓，这些材料是第二代半导体、第三代半导体的代表材料，不仅在具有较高的频率，还具有较高的功率，人们将其应用在了很多产业中，如：新能源产业、通信产业等。

1 化合物半导体特性

（1）砷化镓半导体特性。对于化合物半导体来说，砷化镓不仅是一种至关重要的半导体材料，还是一种可以被应用在多方面的半导体材料。当前，在所有的化合物半导体中，人们对砷化镓的研究最多，所生产的量也最大。从电子迁移率方面来说，砷化镓的电子迁移率较高，比硅的电子迁移率高出五六倍；从光电特性方面来说，砷化镓有着较好的光电特性，可以做成两种器件，一种是激发器件，另一种是发光器件；从禁带宽度方面来说，砷化镓有着较大的禁带宽度，工作温度较高；从本征载流子浓度方面来说，砷化镓有着较低的本征载流子浓度；从耐热方面来说，砷化镓有着良好的耐热性；从抗辐射性方面来说，砷化镓有着良好的抗辐射性；从磁场方面来说，砷化镓对磁场有着较高的敏感性。砷化镓是一种较为稀少的资源，由于其具有稀缺性，因此砷化镓的价格较高，比硅的价格贵十倍左右。坤化物具有毒性，能够对环境带来污染，虽然人们对砷化镓的毒性进行了研究，但仍未完整的研究出其毒性。坤材料具有易挥发性，人们在利用坤材料制备砷化镓时，应注重化学计量比。

（2）氮化镓半导体特性。碳化硅、氮化镓不仅都属于半导体材料，其还属于第三代宽禁带宽度的材料。硅、砷化镓分别是第一代半导体材料、第二代半导体材料，碳化硅、氮化镓与硅、砷化镓相比，所具有的优势十分明显，碳化硅、氮化镓可以在超过200℃的环境下使用，对于较高的能量密度，碳化硅、氮化镓也可以承受。由于碳化硅、氮化镓的电子饱和速度较快，因此器件的工作效率较快[1]。

氮化镓已被人们广泛地应用到了射频领域，氮化镓与砷化镓相比，所具有的物理特性优势主要有以下三点：①氮化镓器件的功率密度约是砷化镓器件功率密度的十倍，氮化镓器件有着较高的功率密度，在高功率密度下，带宽会扩大，放大器增益也会变高，效率会随着器件尺寸的减少而提升。②氮化镓场效应管器件的工作电压与砷化镓场效应管器件工作电压相比，高出很多，这是因为氮化镓场效应管件能够适应高压环境的结果，在窄带放大器设计基础上，相关设计人员在实施阻抗匹配时，更加便捷快速。③氮化镓场效应管器件和砷化镓场效应管器件相比，提供的电流是砷化镓的二倍，氮化镓场效应器件的本征带宽能力较强。

2 化合物半导体封装工艺控制

（1）封装工艺控制的环保、安全要求。砷化镓对环境有较大的污染性，对于砷化镓，人们在排放时应格外注意。在对砷化镓进行封装时，减薄划片可能会对水造成污染，对于废水，不可随意排放，应当使用专业化的设备将废水收集起来，并进行处理。在对砷化镓进行加热的过程中，砷化镓会出现分解，分解后会释放出氧化砷烟雾，这种烟雾具有较大的毒性，加工砷化镓的人员不及要检测砷含量，还要定期检测。

（2）工艺控制要求。以下是封装工艺控制要求：①由于砷化镓、硅的断裂韧度分别为0.31MPa/m、0.82MPa/m，因此砷化镓与硅片相比，更加脆，在封装砷化镓时，应格外注意，避免芯片出现断裂的现象。当前，不仅砷化镓器件配备了镀金焊盘，氮化镓也配备了镀金焊盘，在互联时，建议通过金焊线所连接，对于焊接的参数，应当进行优化，使用DOE验证所优化。在对粘片进行封装时，为了避免出现芯片断裂的情况，应注意芯片的背面，不可使芯片的背面出现顶针的痕迹，一般情况下，人们不再使用电木顶针，而是使用钨钢顶针。②由于砷化镓无法在高温的环境下工作，因此芯片的温度应控制在320℃以内。在封装砷化镓时，主要注意两点，一是注意加工温度，二是烘烤的控制[2]。③砷化镓元器件对静电有着较大的敏感性，在封装砷化镓元器件时，相关人员应做好对静电的控制。对封装测试厂的多方面都有要求，不仅人员要与产品的静电等级要求相符合，设施设备等也要与产品的静电等级相符。④对大多数砷化镓技术而言，都是表面芯片，这些表面芯片具有平坦性的特点，若应用在特定方面，则必须使用空气桥金属技术，而空气桥极易被压伤，因此，封装厂在对芯片进行粘片时，应当使用专用的工具，避免接触到芯片的表面。

（3）封装材料选用的要求。现阶段，在器件应用方面，封装极大地限制了其的应用。传统电子器件的材料。在碳化硅器件进行封装时，一般的传统电子器件无法满足其要求。封装碳化硅的材料应具有三大特点，一是较小的热膨胀系数；二是较好的绝缘性；三是较高的导热性能[3]。