分析用于電力電子的寬帶隙半導(dǎo)體

隨著對電動汽車的需求與日俱增，對電能處理和轉(zhuǎn)換的可靠電力電子系統(tǒng)的需求也在增長。我們目前依賴的半導(dǎo)體將在未來幾年面臨短缺。在過去的幾年里，對更小、更節(jié)能設(shè)備的需求一直在上升。傳統(tǒng)半導(dǎo)體在電路性能方面面臨多重限制：這導(dǎo)致了寬帶隙半導(dǎo)體研究的興起。

使用寬帶隙半導(dǎo)體的技術(shù)可以滿足當(dāng)今行業(yè)所需的所有需求。顧名思義，它們具有更大的帶隙，因此各種電子設(shè)備可以在高電壓、高溫和高頻率下工作。碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 是最近推出的寬帶隙半導(dǎo)體，它們具有更高的功率效率、更小的尺寸和重量以及更低的總體成本的優(yōu)勢。因此，SiC 和 GaN 將取代硅制造的器件，因為它們有一些局限性。

為什么選擇碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）？

SiC 已被證明具有更高的輸出功率應(yīng)用，這在電動汽車 （EV） 領(lǐng)域非常有用，因此可廣泛用于工業(yè)自動化。GaN 具有更高的開關(guān)頻率和更低的功耗。與硅相比，GaN 具有更高的電子遷移率，這使得電子在通過半導(dǎo)體時能夠快速移動。

寬帶隙材料的性質(zhì)

寬帶隙材料具有 3eV+ 的寬帶隙，因此它成為執(zhí)行高壓操作的重要特性。遷移率和飽和速度適用于場效應(yīng)晶體管 （FET） 的 2D 通道中的高開關(guān)頻率。SiC 的這些規(guī)范的缺點之一是，在 SiC 接口期間，遷移率降低。在 GaN 中，二維遷移率成為可能，因為它具有高密度的二維電子氣，同時利用其壓電特性進行接口和調(diào)制摻雜。GaN FET具有各種優(yōu)點，例如更高的工作頻率、更好的導(dǎo)熱性、更高的熔點等。

圖1：半導(dǎo)體材料對比分析

寬帶隙技術(shù)的成熟度

WBG 材料的基本特性可以概括為品質(zhì)因數(shù) （FOM）。對 2015 年之后制造的硅超結(jié) MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN FET 等新型半導(dǎo)體器件的研究對于評估器件的成熟度和確定需要改進的領(lǐng)域非常有用。例如，與高壓操作和電阻功率損耗相關(guān)的參數(shù)由 Baliga FOM （B FOM ） 捕獲。這是基于一維靜電的單極器件在通態(tài)電阻奇偶校驗時的歸一化擊穿電壓。B FOM 與載流子遷移率成正比，也與單極器件（例如 MOSFET 和高電子遷移率晶體管 （HEMT））的運行有關(guān)。

寬帶隙 FET

SiC MOSFET 分為兩種結(jié)構(gòu)，即 -

平面

溝

圖 2：平面 （a） 溝槽 （b）

高界面陷阱密度導(dǎo)致低遷移率，這限制了 R ds（on）。R ds（on）是導(dǎo)通電阻，這意味著它是 MOSFET 的漏極和源極之間的電阻。如果R ds（on）的值較小，則表明功率損耗較小。SiC MOSFET的范圍為1.2KV- 6.5KV，擊穿電壓為15kv。R ds（on）對于將 SiC MOSFET 用于應(yīng)用目的來說太高了，所以如果我們提高溝道遷移率，實際上可以解決問題。

比較硅 （Si） 與碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）的優(yōu)缺點

圖 3：Si、SiC 和 GaN 之間的比較

GaN的局限性

盡管具有各種優(yōu)勢，但在使用 GaN 時也存在一些基于可靠性的限制。一旦 GaN 的制造工藝變得更加先進，這些限制就可以消除。

一些限制包括：-

動態(tài)電阻退化：當(dāng)GaN處于高開關(guān)操作狀態(tài)時，半導(dǎo)通狀態(tài)是由高漏極電壓和電流引起的，這會影響電路的性能。因此，會發(fā)生負(fù)電荷的俘獲。根據(jù)研究，降解是由于表面和緩沖層電荷俘獲的共同作用。

圖 4：與器件 S2 （b） 相比，器件 S1 （a） 的低摻雜碳緩沖區(qū)的厚度要小得多。在 30°C 和 150°C 之間的溫度范圍內(nèi)，測量的 Rds（ON） 作為應(yīng)力時間的函數(shù)。

pGaN HFET 的閾值電壓不穩(wěn)定性： 這是 pGaN HFET 中的一個嚴(yán)重問題。歐姆門的性質(zhì)決定了閾值電壓的不穩(wěn)定性。

SiC和GaN的市場潛力

寬帶隙半導(dǎo)體在行業(yè)中正在迅速增加或擴展，但由于技術(shù)壁壘，它們僅限于利基市場。GaN 器件的年總收入占全球功率半導(dǎo)體市場的 0.1%。根據(jù)未來市場預(yù)測，未來5年年增長率將達到35%至75%。大部分收入可以來自低端市場，包括快速充電器、顯示器和數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的消費產(chǎn)品。

WBG Semiconductors 還可用作光伏系統(tǒng)的 SiC 逆變器、GaN 和 SiC 整流器、電動汽車超快速充電器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。GaN 和 SiC 具有增強電力電子性能并獲得比傳統(tǒng)硅器件更有效輸出的潛力。考慮到 WBG SiC 和 GaN 的局限性，與硅器件相比，還有更多的改進空間，只有在技術(shù)增強后才能實現(xiàn)所需的改進。與傳統(tǒng)的 MOSFET 相比，WBG 材料要經(jīng)濟得多。隨著制造技術(shù)的改進，SiC 和 GaN 基 MOSFET 的限制將一時消除，創(chuàng)造更多優(yōu)勢，WBG 半導(dǎo)體市場將迅速出現(xiàn)增長潛力。

審核編輯：郭婷