淺析化合物半導(dǎo)體特性及封裝工藝控制

梁虎

上海交通大學(xué)研究生院 上海 200030

化合物半導(dǎo)體最少由兩種元素所構(gòu)成，當(dāng)前常用的化合物半導(dǎo)體材料有很多，主要有磷化鎵、氮化鎵、磷化銦、砷化鎵，這些材料是第二代半導(dǎo)體、第三代半導(dǎo)體的代表材料，不僅在具有較高的頻率，還具有較高的功率，人們將其應(yīng)用在了很多產(chǎn)業(yè)中，如：新能源產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)等。

1 化合物半導(dǎo)體特性

（1）砷化鎵半導(dǎo)體特性。對(duì)于化合物半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，砷化鎵不僅是一種至關(guān)重要的半導(dǎo)體材料，還是一種可以被應(yīng)用在多方面的半導(dǎo)體材料。當(dāng)前，在所有的化合物半導(dǎo)體中，人們對(duì)砷化鎵的研究最多，所生產(chǎn)的量也最大。從電子遷移率方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵的電子遷移率較高，比硅的電子遷移率高出五六倍；從光電特性方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵有著較好的光電特性，可以做成兩種器件，一種是激發(fā)器件，另一種是發(fā)光器件；從禁帶寬度方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵有著較大的禁帶寬度，工作溫度較高；從本征載流子濃度方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵有著較低的本征載流子濃度；從耐熱方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵有著良好的耐熱性；從抗輻射性方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵有著良好的抗輻射性；從磁場(chǎng)方面來(lái)說(shuō)，砷化鎵對(duì)磁場(chǎng)有著較高的敏感性。砷化鎵是一種較為稀少的資源，由于其具有稀缺性，因此砷化鎵的價(jià)格較高，比硅的價(jià)格貴十倍左右。坤化物具有毒性，能夠?qū)Νh(huán)境帶來(lái)污染，雖然人們對(duì)砷化鎵的毒性進(jìn)行了研究，但仍未完整的研究出其毒性。坤材料具有易揮發(fā)性，人們?cè)诶美げ牧现苽渖榛墪r(shí)，應(yīng)注重化學(xué)計(jì)量比。

（2）氮化鎵半導(dǎo)體特性。碳化硅、氮化鎵不僅都屬于半導(dǎo)體材料，其還屬于第三代寬禁帶寬度的材料。硅、砷化鎵分別是第一代半導(dǎo)體材料、第二代半導(dǎo)體材料，碳化硅、氮化鎵與硅、砷化鎵相比，所具有的優(yōu)勢(shì)十分明顯，碳化硅、氮化鎵可以在超過(guò)200℃的環(huán)境下使用，對(duì)于較高的能量密度，碳化硅、氮化鎵也可以承受。由于碳化硅、氮化鎵的電子飽和速度較快，因此器件的工作效率較快[1]。

氮化鎵已被人們廣泛地應(yīng)用到了射頻領(lǐng)域，氮化鎵與砷化鎵相比，所具有的物理特性優(yōu)勢(shì)主要有以下三點(diǎn)：①氮化鎵器件的功率密度約是砷化鎵器件功率密度的十倍，氮化鎵器件有著較高的功率密度，在高功率密度下，帶寬會(huì)擴(kuò)大，放大器增益也會(huì)變高，效率會(huì)隨著器件尺寸的減少而提升。②氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件的工作電壓與砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件工作電壓相比，高出很多，這是因?yàn)榈増?chǎng)效應(yīng)管件能夠適應(yīng)高壓環(huán)境的結(jié)果，在窄帶放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在實(shí)施阻抗匹配時(shí)，更加便捷快速。③氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件和砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管器件相比，提供的電流是砷化鎵的二倍，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)器件的本征帶寬能力較強(qiáng)。

2 化合物半導(dǎo)體封裝工藝控制

（1）封裝工藝控制的環(huán)保、安全要求。砷化鎵對(duì)環(huán)境有較大的污染性，對(duì)于砷化鎵，人們?cè)谂欧艜r(shí)應(yīng)格外注意。在對(duì)砷化鎵進(jìn)行封裝時(shí)，減薄劃片可能會(huì)對(duì)水造成污染，對(duì)于廢水，不可隨意排放，應(yīng)當(dāng)使用專業(yè)化的設(shè)備將廢水收集起來(lái)，并進(jìn)行處理。在對(duì)砷化鎵進(jìn)行加熱的過(guò)程中，砷化鎵會(huì)出現(xiàn)分解，分解后會(huì)釋放出氧化砷煙霧，這種煙霧具有較大的毒性，加工砷化鎵的人員不及要檢測(cè)砷含量，還要定期檢測(cè)。

（2）工藝控制要求。以下是封裝工藝控制要求：①由于砷化鎵、硅的斷裂韌度分別為0.31MPa/m、0.82MPa/m，因此砷化鎵與硅片相比，更加脆，在封裝砷化鎵時(shí)，應(yīng)格外注意，避免芯片出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。當(dāng)前，不僅砷化鎵器件配備了鍍金焊盤，氮化鎵也配備了鍍金焊盤，在互聯(lián)時(shí)，建議通過(guò)金焊線所連接，對(duì)于焊接的參數(shù)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化，使用DOE驗(yàn)證所優(yōu)化。在對(duì)粘片進(jìn)行封裝時(shí)，為了避免出現(xiàn)芯片斷裂的情況，應(yīng)注意芯片的背面，不可使芯片的背面出現(xiàn)頂針的痕跡，一般情況下，人們不再使用電木頂針，而是使用鎢鋼頂針。②由于砷化鎵無(wú)法在高溫的環(huán)境下工作，因此芯片的溫度應(yīng)控制在320℃以內(nèi)。在封裝砷化鎵時(shí)，主要注意兩點(diǎn)，一是注意加工溫度，二是烘烤的控制[2]。③砷化鎵元器件對(duì)靜電有著較大的敏感性，在封裝砷化鎵元器件時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)做好對(duì)靜電的控制。對(duì)封裝測(cè)試廠的多方面都有要求，不僅人員要與產(chǎn)品的靜電等級(jí)要求相符合，設(shè)施設(shè)備等也要與產(chǎn)品的靜電等級(jí)相符。④對(duì)大多數(shù)砷化鎵技術(shù)而言，都是表面芯片，這些表面芯片具有平坦性的特點(diǎn)，若應(yīng)用在特定方面，則必須使用空氣橋金屬技術(shù)，而空氣橋極易被壓傷，因此，封裝廠在對(duì)芯片進(jìn)行粘片時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用專用的工具，避免接觸到芯片的表面。

（3）封裝材料選用的要求?，F(xiàn)階段，在器件應(yīng)用方面，封裝極大地限制了其的應(yīng)用。傳統(tǒng)電子器件的材料。在碳化硅器件進(jìn)行封裝時(shí)，一般的傳統(tǒng)電子器件無(wú)法滿足其要求。封裝碳化硅的材料應(yīng)具有三大特點(diǎn)，一是較小的熱膨脹系數(shù)；二是較好的絕緣性；三是較高的導(dǎo)熱性能[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上描述可以看出，化合物半導(dǎo)體被人們廣泛應(yīng)用在了多個(gè)領(lǐng)域中，如：通信領(lǐng)域、光電子領(lǐng)域、照明領(lǐng)域等，很多化合物半導(dǎo)體具有耐高溫性、高頻性以及抗輻射性等特性，在封裝工藝控制方面，對(duì)環(huán)保、安全、材料等方面有著較高的控制要求。