SiC和GaN是“下一代”還是“當(dāng)代”？

SiC企業(yè)不斷增多，成本不斷下降一文中，作者根津在開篇寫道：“下一代功率半導(dǎo)體已經(jīng)不再特別?！边@是因為，隨著使用SiC和GaN等“下一代功率半導(dǎo)體”的大量發(fā)布，在學(xué)會和展會的舞臺上，這種功率半導(dǎo)體逐漸帶上了“當(dāng)代”的色彩。
那么，在使用功率半導(dǎo)體的制造現(xiàn)場，情況又是如何呢?雖然使用SiC和GaN的產(chǎn)品目前尚處開始增加的階段，仍屬于“下一代”，但在功率半導(dǎo)體使用者的心目中，此類產(chǎn)品已逐漸由“下一代”向“當(dāng)代”轉(zhuǎn)變。
不久前，筆者與一位很久未見的、多年來從事電源技術(shù)研發(fā)的朋友碰面，對方上來便說：“耐壓600V的GaN器件已經(jīng)問世啦!”因為這次碰面是為了其他事情，這句話實在出乎筆者預(yù)料。這位技術(shù)人員表示，自從松下于2013年3月開始、夏普于同年4月開始供應(yīng)樣品之后，電源技術(shù)人員的開發(fā)熱情高漲了起來。雖然在這以前也有部分企業(yè)推出了實用產(chǎn)品，但隨著供應(yīng)商的增加，使用GaN器件開發(fā)電源已成了“手頭的工作”之一。這位電源技術(shù)者說，自己將使用GaN器件，開發(fā)開關(guān)頻率提高近一位數(shù)的電源電路。
功率半導(dǎo)體的研討會也盛況空前?！度战?jīng)電子》6月28日舉辦的“下一代功率半導(dǎo)體的影響力”研討會座無虛席，在測量器廠商泰克(Tektronix)與安捷倫科技(Agilent Technologies)各自舉辦的活動(泰克為7月2日舉辦，安捷倫科技為7月9～10日舉辦)上，有關(guān)功率半導(dǎo)體評估方法的會議也迎來了大批聽眾。
在泰克的活動中，筆者參加了與電流和電壓測量相關(guān)的會議，會議詳細(xì)介紹了kV級大電壓的測量方式和要點，給筆者留下了深刻的印象。在安捷倫科技的活動中，筆者參加了與下一代功率半導(dǎo)體的評估方法相關(guān)的會議，通過詢問與會者的職務(wù)，筆者發(fā)現(xiàn)，約4成與會者的工作都是功率半導(dǎo)體的使用者，而對于“下次希望介紹什么測量方法”的問題，同樣有大約4成與會者的回答是“開關(guān)特性評估”。從這一點也可看出，一直被稱作“下一代”產(chǎn)品的SiC和GaN器件目前已經(jīng)有了眾多的使用者。
在安捷倫的活動上，HiSOL展出的測量儀也能反映出使用SiC和GaN的動向日趨活躍的現(xiàn)狀。這種測量儀的用途是在真空和惰性氣體環(huán)境的反應(yīng)室內(nèi)，把功率半導(dǎo)體暴露在超過200℃的高溫(最大400℃)下，檢測其電特性(采用真空或惰性氣體環(huán)境是為了防止待測電極在高溫狀態(tài)下氧化，準(zhǔn)確評估器件特性)。SiC器件和GaN器件的特點是，工作溫度比IGBT和傳統(tǒng)功率MOSFET等Si系器件的工作溫度更高。有越來越多的技術(shù)人員打算在嚴(yán)酷的條件下使用采用SiC器件和GaN器件的電路，開始對其進(jìn)行實際評估。
另一方面，在使用SiC和GaN的時候，設(shè)計往往不像過去由Si系功率半導(dǎo)體組成的電路那樣順利。其原因有兩點，首先是功率半導(dǎo)體的性能參數(shù)不同，其次是，與功率半導(dǎo)體組合的周邊部件和材料也需要多加注意。就目前而言，有些時候，想要實現(xiàn)預(yù)想的電路還相當(dāng)困難。
例如，前面提到的電源技術(shù)者就表示，實現(xiàn)GaN功率半導(dǎo)體擅長的高速開關(guān)時，面臨著功率電感性能跟不上的問題。功率半導(dǎo)體能夠在MHz的水平下工作，但是，高速開關(guān)使用的功率電感由于損耗大，最多只能達(dá)到100kHz。如果不改變線圈使用的金屬材料等，MHz級別的動作就如同癡人說夢。
所以，在功率半導(dǎo)體的使用者看來，或許只有等到周邊技術(shù)的難題全部解決的那一天，他們才能放心大膽地把SiC和GaN稱為“當(dāng)代”。