寬帶隙技術(shù)：21世紀(jì)電力電子應(yīng)用的新規(guī)范

在過去的二十年中，研究人員和大學(xué)已經(jīng)對幾種寬帶隙材料進(jìn)行了實驗，這些材料顯示出巨大的潛力來替代射頻，發(fā)光，傳感器和功率半導(dǎo)體應(yīng)用中的現(xiàn)有硅材料技術(shù)。在新世紀(jì)即將來臨之際，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)達(dá)到了足夠的成熟度并獲得了足夠的吸引力，從而拋棄了其他潛在的替代方法，并得到了全球工業(yè)制造商的足夠關(guān)注。

最近，重點(diǎn)是研究與材料有關(guān)的缺陷。為新產(chǎn)品開發(fā)定制的設(shè)計，過程和測試基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);并建立一種可重現(xiàn)的無源(二極管)器件和幾種有源器件(MosFET，HEMT，MesFET，JFET或BJT)，這些器件開始進(jìn)入演示板，并證明了寬帶隙(WBG)材料無可爭議的優(yōu)勢。關(guān)于功率半導(dǎo)體，這些包括工作溫度范圍的擴(kuò)展，電流密度的增加以及開關(guān)損耗的減少多達(dá)十倍，從而允許在明顯更高的頻率下連續(xù)運(yùn)行，從而減小了系統(tǒng)重量和最終應(yīng)用的尺寸。

對功率半導(dǎo)體器件的需求不斷增長，帶動了寬帶隙半導(dǎo)體市場。關(guān)鍵參與者一直在投資于SiC和GaN的材料和晶圓的開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)。WBG市場走向何方?誰是主導(dǎo)者?他們?nèi)绾谓鉀Q數(shù)十年來歷史悠久的高成本，數(shù)量有限和供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜膯栴}?該《 EE Times》特別項目將揭示W(wǎng)BG半導(dǎo)體市場的技術(shù)，應(yīng)用和動態(tài)。

對于這兩種材料，仍然存在一些獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)：

GaN非常適合中小功率，主要是消費(fèi)類應(yīng)用的氮化鎵，似乎允許高度集成，其中一個或多個電源開關(guān)與驅(qū)動器電路一起封裝，并有可能在集成電路上創(chuàng)建電源轉(zhuǎn)換IC。單片芯片，由最先進(jìn)的8–12英寸混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認(rèn)為是一種稀有的，無毒的金屬，在硅生產(chǎn)設(shè)備中可能會作為無意的受體而產(chǎn)生副作用，因此嚴(yán)格分隔許多制造工藝步驟(如干法蝕刻，清潔或高溫工藝)仍然是關(guān)鍵要求。

此外，GaN在MO-CVD外延工藝中沉積在晶格不匹配的載體(例如SiC)上，或者沉積在較大的晶片直徑上(通常甚至沉積在硅上)，這會引起膜應(yīng)力和晶體缺陷，這主要導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，并有時導(dǎo)致災(zāi)難性事故。失敗。

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件，其利用由肖特基型金屬進(jìn)行選通的源極和漏極之間的固有二維電子氣通道。

另一方面，SiC由硅和石墨的豐富成分組成，它們共同構(gòu)成了地殼的近30%。工業(yè)規(guī)模的單晶SiC鑄錠的增長為6''提供了完善且廣泛可用的資源。早期行動者最近已經(jīng)開始評估8“晶圓，并且希望在未來五年內(nèi)，SiC制造將擴(kuò)展到8”晶圓生產(chǎn)線。

圖1. 6英寸晶圓上的碳化硅成熟度—半透明碳化硅襯底與成品晶圓的比較。

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET在市場上的廣泛采用提供了所需的縮放效果，以降低高質(zhì)量襯底，SiC外延和制造工藝的制造成本。通過視覺和/或電應(yīng)力測試消除的晶體缺陷極大地影響了較大尺寸芯片的良率。此外，由于溝道遷移率低，存在一些挑戰(zhàn)，這會阻止SiC FET在100-600 V之間的范圍內(nèi)與硅FET競爭。

市場領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識到垂直供應(yīng)鏈對制造GaN和SiC產(chǎn)品的重要性。在單一屋頂下增強(qiáng)制造能力-包括晶體生長，晶圓加工和拋光，外延，器件制造以及封裝專業(yè)知識，包括優(yōu)化的模塊和封裝，其中考慮了快速瞬變和熱性能或?qū)拵?WBG)器件的局限性—允許低成本以及高產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛且具有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制以實現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序。硅二極管，IGBT和超結(jié)MOSFET的替代產(chǎn)品為WBG技術(shù)做好了市場準(zhǔn)備。在根據(jù)選擇性拓?fù)湔{(diào)整電氣性能以繼續(xù)提高電源效率方面還有更多潛力。擴(kuò)大駕駛范圍;減少重量，尺寸和組件數(shù)量;并實現(xiàn)在工業(yè)，汽車和消費(fèi)領(lǐng)域的新穎，突破性的最終應(yīng)用。

圖2：單擊圖像放大。在PFC和LLC階段均使用1200V SiC MOSFET的最高效率車載充電器系統(tǒng)，可實現(xiàn)最高的功率密度和最低的重量。

能夠?qū)崿F(xiàn)快速設(shè)計周期的關(guān)鍵因素是精確的香料模型，其中包括熱性能和校準(zhǔn)的封裝寄生效應(yīng)(幾乎適用于所有流行的仿真器平臺)以及快速采樣支持，應(yīng)用筆記，定制的SiC和GaN驅(qū)動器IC，以及全球支持基礎(chǔ)架構(gòu)。

未來十年將見證另一個歷史性的變革，其中基于GaN和SiC的功率半導(dǎo)體將推動功率電子封裝集成和應(yīng)用領(lǐng)域的根本性發(fā)明。在此過程中，硅器件將幾乎從電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)中消除。盡管如此，他們將繼續(xù)在高度集成的功率IC和較低電壓范圍中尋求庇護(hù)。