宽带隙(WBG)半导体凭借卓越的材料特性备受关注，尤其适用于高功率、高频电力电子设备。尽管这项技术前景广阔，但大规模制造仍面临挑战，而微型化、高耐用性等趋势则亟需新的技术手段支撑。

宽带隙半导体有望为电力电子领域带来革命性变革，但专业人员需先研发出具备商业可行性的新型等离子体加工技术。

宽带隙半导体的优势

带隙指的是电子从价带跃迁到导带所需的能量。与传统硅基半导体相比，宽带隙半导体的带隙能量要大得多，因此能承受更高的频率、电压和温度。

碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)是主流的宽带隙半导体材料，二者均具备高导热性、高电子迁移率和高击穿电压的特性。例如，碳化硅器件在高达 600°C 的环境下仍能正常工作，而传统硅基器件的耐受温度上限仅为 150°C。这一特性可帮助制造商缩小散热器尺寸，实现设备的紧凑设计。

此外，宽带隙器件还能以极低的能量损耗快速切换大电压。这一独特性能是制造各类电力电子设备的关键 —— 例如，可用于生产高频运行的宽带隙金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(mosfet)，或是高能效的发光二极管(LED)。

宽带隙半导体在等离子体加工中的变革性作用

在所有物质状态中，等离子体的能量密度最高，同时还具有强化学反应活性，且能与传统加工方法良好兼容，因此成为先进制造领域创新的重要工具。与机械加工、湿化学加工不同，等离子体加工在高精度表面改性应用中成本更低、效率更高，且易于规模化。

等离子体加工利用电离气体完成刻蚀、清洗、沉积等关键工序。由于等离子体可在原子层面调控材料表面特性，它在半导体制造中占据核心地位，为将多种材料引入生产流程、推动宽带隙半导体器件发展创造了新机遇。

然而，传统的等离子体化学方法已无法满足需求。要扩大等离子体技术在下一代半导体制造中的应用，就必须推动等离子体加工技术的进步，专业人员需攻克现有技术障碍，同时充分考虑宽带隙器件的独特特性和原子级精度要求。

等离子体表征与质量的关联

为实现理想的表面质量，宽带隙器件需要更强的等离子体化学作用，但这可能导致表面损伤。制造工艺若存在缺陷，会直接影响器件性能;而在对材料完整性要求极高的应用场景中，这种性能缺陷是无法接受的。因此，研发新型技术对确保加工均匀性、控制缺陷至关重要。

通常情况下，氮化镓薄膜采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术制备，这两种方法均需在 800°C 至 1100°C 的高温环境下进行。对于热敏感衬底而言，这种高温沉积方式并不适用 —— 冷却过程中薄膜可能出现应变或开裂。为此，研究人员开发了一种低温加工工艺，在保证质量的同时降低了生产成本。

反应磁控溅射是一种沉积工艺，其原理是利用等离子体离子轰击金属靶材。研究团队通过装有液态镓的溅射源激发等离子体，并将靶材暴露在纯度为 99.9999% 的氩氮混合等离子体中。

反应磁控溅射的优势

与金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)不同，反应磁控溅射无需超高真空环境，也不使用有毒气体。由于该工艺在高反应性环境中进行，即使在室温下也能高效工作，易于实现规模化生产。

研究发现，镓原子的气相动力学特性与薄膜性能存在关联。这一发现不仅凸显了等离子体条件对提升薄膜质量的作用，也强调了等离子体表征的重要性。

在半导体制造中，特种气体的纯度需至少达到 99.999%。纯度为 5 级及以上的气体可去除痕量杂质，避免因污染产生缺陷，同时还有助于提高加工效率和精度。

新兴的创新性等离子体加工技术

研究人员正在探索多种新型等离子体加工技术，但并非所有技术都兼具高效性、成本效益和商业可行性。

等离子体氮化技术

大阪大学的工程师开发了一种用于制造碳化硅 MOSFET 关键界面的新技术。等离子体氮化技术可提高器件对正栅极偏压应力的耐受性，减少界面态，从而提升器件的可靠性和性能。

研究团队通过施加 5-8 MV/cm 的场强、持续 2000 秒的正偏压应力测试发现，在二氧化碳环境下提高退火温度可增强器件的抗应力能力。相较于常用的一氧化氮工艺，这种新技术更具优势 —— 一氧化氮工艺会因界面氮含量高度饱和，限制界面态密度的降低。

等离子体增强原子层沉积(PEALD)

另一项用于开发宽带隙半导体器件的创新技术是等离子体增强原子层沉积(PEALD)。该技术利用等离子体在原子层沉积过程中激活化学反应，使晶圆厂即使在较低温度下也能制备高质量薄膜，这对碳化硅和氮化镓材料而言尤为有利。

在一项研究中，研究人员利用该技术制备了双层结构的半导体堆叠体：在 200°C 温度、100W 等离子体功率条件下，沉积了 5 纳米厚的镓锌氧化物薄膜和铟镓锌氧化物薄膜。这一工艺不仅切实可行，还能确保器件在长期运行中保持高性能和稳定的电学特性。

制造领域中等离子体加工的未来展望

宽带隙半导体的独特特性使其成为研发领域的焦点，助力电力电子技术进步，释放独特的功率和精度潜力。创新的等离子体加工技术将在不影响电学性能的前提下提升器件稳定性，助力晶圆厂制造出下一代芯片。