GaN和SiC等寬帶隙技術的挑戰(zhàn)

對硅替代品的探索始于上個世紀的最后二十年，當時研究人員和大學對幾種寬帶隙材料進行了試驗，這些材料顯示出在射頻、發(fā)光、傳感器和功率半導體等領域替代現(xiàn)有硅材料技術的巨大潛力應用程序。在新世紀之初，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已達到足夠的成熟度并獲得足夠的吸引力，從而將其他潛在替代品拋在腦后，從而得到全球工業(yè)制造商的足夠重視。

在接下來的幾年里，重點是研究與材料相關的缺陷，為新材料開發(fā)定制的設計、工藝和測試基礎設施，并建立一個可復制的無源（二極管）器件和幾個有源器件（MosFET、HEMT、MesFET、JFET）或 BJT），它們開始進入演示板，并能夠展示寬帶隙材料帶來的無可爭議的優(yōu)勢。就功率半導體而言，這些包括工作溫度范圍的擴展、電流密度的增加以及開關損耗降低多達十倍，從而允許在顯著更高的頻率下連續(xù)工作，從而降低系統(tǒng)重量和最終應用的尺寸。

對于這兩種材料，仍有一些獨特的挑戰(zhàn)有待解決：

GaN 非常適合中低功率，主要是消費類應用，似乎允許高度單片集成，其中一個或多個電源開關與驅動電路共同封裝，有可能在單片芯片上創(chuàng)建功率轉換 IC , 在最先進的 8-12” 混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認為是一種稀有、無毒的金屬，作為硅生產(chǎn)設施中的無意受體可能會產(chǎn)生副作用，因此對許多制造工藝步驟（如干蝕刻、清潔或高溫工藝）進行嚴格分離仍然是一項關鍵要求。此外，GaN 在 MO-CVD 外延工藝中沉積在晶格失配的載體上，如 SiC 或更大的晶圓直徑，通常甚至在硅上，這會引起薄膜應力和晶體缺陷，

GaN 功率器件通常是橫向 HEMT 器件，它利用源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，由肖特基型金屬門控。

另一方面，碳化硅由豐富的硅和石墨成分組成，它們加起來占地殼的近 30%。工業(yè)規(guī)模的單晶 SiC 錠的生長是 6'' 中成熟且廣泛可用的資源。先驅者最近開始評估 8 英寸晶圓，并希望在未來五 (5) 年內，碳化硅制造將擴展到 8 英寸晶圓生產(chǎn)線。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場采用正在提供所需的縮放效果，以降低高質量襯底、SiC 外延和制造工藝的制造成本。通過視覺和/或電應力測試消除的晶體缺陷極大地影響了較大芯片尺寸的良率。此外，由于溝道遷移率低，存在一些挑戰(zhàn)，這使 SiC FET 在 100 – 600V 范圍內無法與硅 FET 競爭。

市場領導者已經(jīng)意識到垂直供應鏈對于制造 GaN 和 SiC 產(chǎn)品的重要性。在單一屋檐下建立制造能力，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，其中考慮了寬帶隙器件 (WBG) 的快速瞬變和熱能力或限制, 允許最低的成本和最高的產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛且具有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應鏈，新的重點正在轉向產(chǎn)品定制，以實現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應用程序。硅二極管、IGBT 和超級結 MOSFET 的直接替代品已經(jīng)為 WBG 技術市場做好了準備。在為選擇性拓撲定制電氣性能以繼續(xù)提高功率效率、擴大行駛范圍、減少重量、尺寸和組件數(shù)量以及實現(xiàn)工業(yè)、汽車和消費領域的新型突破性終端應用方面，還有更多潛力。

圖 ：最高效率的車載充電器系統(tǒng)在 PFC 和 LLC 階段均使用 1200V SiC MOSFET，達到最高功率密度和最低重量。通過提供的參考設計

實現(xiàn)快速設計周期的一個關鍵因素是準確的 spice 模型，其中包括熱性能和校準的封裝寄生參數(shù)，幾乎可用于所有流行的模擬器平臺，以及快速采樣支持、應用筆記、定制的 SiC 和 GaN 驅動器 IC 和世界- 廣泛的支持基礎設施。

即將到來的十 (10) 年將見證另一場歷史性變革，其中基于 GaN 和 SiC 的功率半導體將推動電力電子封裝集成和應用領域的激進發(fā)明。在此過程中，硅器件將幾乎從電源開關節(jié)點中消失。盡管如此，他們仍將繼續(xù)在高度集成的電源 IC 和較低電壓范圍內尋求庇護。

審核編輯：湯梓紅