基于GaN和SiC的功率半導(dǎo)體，未來將推動(dòng)電子封裝集成和應(yīng)用

在新世紀(jì)伊始，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)已經(jīng)達(dá)到了足夠的成熟度，并獲得了足夠的吸引力，將其他潛在的替代品拋在腦后，引起全球工業(yè)制造商的足夠重視。

在接下來的幾年里，重點(diǎn)是研究與材料相關(guān)的缺陷，為新材料開發(fā)一個(gè)定制的設(shè)計(jì)、工藝和測試基礎(chǔ)設(shè)施，并建立一個(gè)某種程度上可重復(fù)的無源(二極管)器件和幾個(gè)有源器件(MOSFET、HEMT、MESFET、JFET或BJT)，這些器件開始進(jìn)入演示階段并能夠證明寬帶隙材料帶來的無可爭辯的優(yōu)勢。寬帶隙材料可以使半導(dǎo)體的工作頻率降低10倍，從而使電路的工作頻率降低10倍。

對于這兩種材料，仍有一些挑戰(zhàn)有待解決：

GaN非常適合低功率和中等功率，主要是消費(fèi)類應(yīng)用，似乎允許高度的單片集成一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)并與驅(qū)動(dòng)電路共同封裝。有可能在在最先進(jìn)的8-12“混合信號晶圓制造廠制造功率轉(zhuǎn)換IC。

然而，由于鎵被認(rèn)為是一種稀有、無毒的金屬，在硅生產(chǎn)設(shè)施中作為受主可能會產(chǎn)生副作用，因此對許多制造工藝步驟(如干法蝕刻、清洗或高溫工藝)的嚴(yán)格分離仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

此外，GaN是以MO-CVD外延工藝在SiC等晶格不匹配的載流子上或更大的晶圓直徑(通常甚至在硅上)上沉積，這會引起薄膜應(yīng)力和晶體缺陷，這主要導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，偶爾會導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。

GaN功率器件是典型的橫向HEMT器件，它利用源極和漏極之間固有的二維電子氣通道進(jìn)行導(dǎo)通供電。

另一方面，地殼中含有豐富的硅元素，其中30%是由硅組成的。工業(yè)規(guī)模的單晶碳化硅錠的生長是一種成熟的、可利用的資源。最近，先驅(qū)者已經(jīng)開始評估8英寸晶圓，有希望在未來五(5)年內(nèi)，碳化硅制造將擴(kuò)展到8英寸晶圓制造線。

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET在市場上的廣泛應(yīng)用為降低高質(zhì)量襯底、SiC外延和制造工藝的制造成本提供了所需的縮放效應(yīng)。通過視覺和/或電應(yīng)力測試消除晶體缺陷，這對較大尺寸芯片的產(chǎn)量有較大的影響。此外，還有一些挑戰(zhàn)，歸因于低溝道遷移率，這使得SiC fet在100-600V范圍內(nèi)無法與硅FET競爭。

市場領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識到垂直供應(yīng)鏈對于制造GaN和SiC產(chǎn)品的重要性。需要有專業(yè)基礎(chǔ)的制造能力，包括晶體生長、晶圓和拋光、外延、器件制造和封裝專業(yè)知識，包括優(yōu)化的模塊和封裝，考慮到快速瞬態(tài)和熱性能或?qū)拵镀骷?WBG)的局限性，考慮最低的成本，最高的產(chǎn)量和可靠性。

隨著廣泛和有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈的建立，新的焦點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制，以實(shí)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的替代品為WBG技術(shù)的市場做好了準(zhǔn)備。

在根據(jù)選擇性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整電氣性能以繼續(xù)提高功率效率、擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)范圍、減少重量、尺寸和組件數(shù)量，并在工業(yè)、汽車和消費(fèi)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新穎、突破性的最終應(yīng)用，還有很多潛力。

實(shí)現(xiàn)循環(huán)快速設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是精確的spice模型，包括熱性能和校準(zhǔn)封裝寄生體，可用于幾乎所有流行的模擬器平臺，以及快速采樣支持、應(yīng)用說明、定制的SiC和GaN驅(qū)動(dòng)IC以及全球支持基礎(chǔ)設(shè)施。

接下來的十(10)年將見證另一次歷史性的變革，基于GaN和SiC的功率半導(dǎo)體將推動(dòng)電力電子封裝集成和應(yīng)用的根本性發(fā)明。

在這一過程中，硅器件將幾乎從功率開關(guān)節(jié)點(diǎn)上消失。盡管如此，他們?nèi)詫⒗^續(xù)在高度集成的功率集成電路和低電壓環(huán)境中尋求生存。