GaN和SiC基功率半導(dǎo)體的寬帶隙技術(shù)

尋找硅替代物的研究始于上個世紀(jì)的最后二十年，當(dāng)時研究人員和大學(xué)已經(jīng)對幾種寬帶隙材料進(jìn)行了試驗，這些材料顯示出替代射頻，發(fā)光，傳感器和功率半導(dǎo)體的現(xiàn)有硅材料技術(shù)的巨大潛力。應(yīng)用程序。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，從而留下了其他潛在的替代品，從而引起了全球工業(yè)制造商的足夠關(guān)注。

在接下來的幾年中，重點是調(diào)查與材料有關(guān)的缺陷，為新材料開發(fā)定制的設(shè)計，工藝和測試基礎(chǔ)架構(gòu)，并建立某種可重現(xiàn)的無源（二極管）器件和幾種有源器件（MosFET，HEMT，MesFET，JFET）或BJT）開始進(jìn)入演示板，并能夠證明寬帶隙材料帶來的無可爭議的優(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)損耗的多達(dá)十倍的降低，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)的重量和最終應(yīng)用的尺寸。

對于這兩種材料，仍然需要解決一些獨特的挑戰(zhàn)：

GaN非常適合中小型功率（主要是消費類應(yīng)用），似乎可以實現(xiàn)高度的單片集成，其中一個或多個功率開關(guān)與驅(qū)動器電路共同封裝，有可能在單片芯片上創(chuàng)建功率轉(zhuǎn)換IC ，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)施中可能會作為無意的受主而產(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）仍然是至關(guān)重要的要求。此外，在MO-CVD外延工藝中，GaN沉積在晶格不匹配的載體（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），這可以減輕膜應(yīng)力和晶體缺陷，

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件，其利用了源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，該通道由肖特基類型的金屬進(jìn)行選通。

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錠的生長是6英寸的成熟且廣泛可用的資源。早期行動者最近開始評估8英寸晶圓，并且希望在未來五（5）年內(nèi)，SiC制造將擴(kuò)展到8英寸晶圓生產(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。晶體缺陷（通過視覺和/或電應(yīng)力測試消除）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，還存在一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)使SiC FET在100V至600V的電壓范圍內(nèi)無法與Silicon 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。在單一屋頂下建立制造能力，其中包括晶體生長，晶片和拋光，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，其中考慮了快速瞬變和熱功能或?qū)拵镀骷╓BG）的局限性允許最低的成本，最高的產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛而具有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點正在轉(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的直接替代品已經(jīng)為WBG技術(shù)市場做好了準(zhǔn)備。在針對特定拓?fù)湔{(diào)整電氣性能以繼續(xù)提高功率效率，擴(kuò)大驅(qū)動范圍，減少重量，尺寸和組件數(shù)量，以及在工業(yè)，汽車和消費領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新穎，突破性的最終應(yīng)用方面，還有更多的潛力。

圖2：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。通過https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap提供了參考設(shè)計

實現(xiàn)快速設(shè)計周期的關(guān)鍵要素是精確的香料模型，其中包括熱性能和校準(zhǔn)的封裝寄生特性，幾乎可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以及全球范圍的支持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

未來的十（10）年將見證另一場歷史性的變革，其中GaN和SiC基功率半導(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)。

慕尼黑安森美半導(dǎo)體公司的Thomas Neyer和Mehrdad Baghaie

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