寬帶隙半導(dǎo)體：GaN 和 SiC 的下一波浪潮

AspenCore 的?2021 年 PowerUP 博覽會?用一整天的時間介紹寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，特別是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。WBG 小組討論的重點是“下一波 GaN 和 SiC”，從當(dāng)天的主題演講中汲取靈感，包括新產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)挑戰(zhàn)和晶圓制造。?

由于尺寸、重量和成本的節(jié)省以及更高的效率，GaN 和 SiC 功率器件正在大力推動超越快速充電器和可再生能源，進入數(shù)據(jù)中心、電機驅(qū)動器、電動汽車 (EV) 和其他電子設(shè)備領(lǐng)域。移動應(yīng)用。?

該小組由六位行業(yè)專家組成。GaN 市場的小組成員包括EPC首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Alex Lidow，他討論了 GaN 集成技術(shù)；Navitas Semiconductor企業(yè)營銷和投資者關(guān)系副總裁 Stephen Olivier研究了 GaN 在電氣化中的作用；Kubos Semiconductor的首席執(zhí)行官 Caroline O'Brien強調(diào)了該公司用于 LED 的立方 GaN 技術(shù)。?

SiC 小組成員包括UnitedSiC （最近被 Qorvo 收購）的技術(shù)開發(fā)總監(jiān) Pete Losee，他討論了他的公司通過 750-V 第 4 代產(chǎn)品系列不斷擴大的產(chǎn)品組合；Wolfspeed 電源產(chǎn)品營銷全球總監(jiān) Paul Kierstead介紹了 SiC 在可再生能源電力轉(zhuǎn)換和存儲中的作用；和X-trinisic的總裁兼首席技術(shù)官 Rob Rhoades，他對 SiC 晶圓制造提供了深刻的見解。?

小組成員的共同主題包括效率和集成，以及在 WBG 半導(dǎo)體的幫助下減少世界對化石燃料的依賴。小組成員還一致認為，即將推出的 200 毫米晶圓將進一步節(jié)省成本。?

GaN：效率和碳節(jié)省

Kubos 的 O'Brien 以介紹該公司的新材料技術(shù)——用于 LED 的立方氮化鎵為開場白。下一代照明創(chuàng)新被認為是現(xiàn)有的 LED 技術(shù)，但她反駁說 Kubos 的立方 GaN LED 技術(shù)可以進一步提高 20% 到 40% 的效率。她說，這意味著在五年內(nèi)照明和展示方面?的碳足跡和二氧化碳排放量減少了近 7 億噸 CO 2 。

O'Brien 表示，新的立方 GaN 可以消除綠色和琥珀色光的低效率，并為生產(chǎn)不僅可以更高效而且可以改善顯色性和更有效地模擬日光的解決方案提供機會。?

據(jù)說綠色和琥珀色 LED 的“綠色差距”或效率下降會降低 RGB 的性能并增加成本和尺寸。她說，使用立方 GaN 技術(shù)，消除了量子限制斯塔克效應(yīng)和電場，在規(guī)模和更長波長方面提供了優(yōu)勢，并降低了光譜漂移。?

同樣，像 Navitas 這樣的 GaN 功率器件制造商也專注于提供支持電氣化的技術(shù)和器件，從而減少世界對化石燃料的依賴。?

“今天，超過 80% 的電能轉(zhuǎn)化為電力是基于化石燃料的，”Navitas 的 Olivier 說。“我們可以改善這一點并將其從 20% 的可再生能源和電力負載轉(zhuǎn)變?yōu)?80% 的方法之一是使用 GaN，這是我們世界電氣化的一大推動力。?

“當(dāng)我們研究 GaN 組件的小尺寸，以及我們?nèi)绾渭商匦院凸δ懿p少傳統(tǒng)系統(tǒng)中的組件時，我們的 CO 2足跡可以比硅等效物小 10 倍，”他說。??

“每次我們出貨 GaN 功率 IC，我們都會減少 4 kg CO 2。通過使用新技術(shù)，這是一個巨大的凈收益。我們相信，我們可以在三年內(nèi)加速全球從內(nèi)燃機汽車向電動汽車的過渡，并將道路部門的排放量減少 20%，最終實現(xiàn)到 2050 年每年減少 2.6 吉噸的目標?！?

GaN 功率器件制造商一致認為，從分立 GaN 向更高集成度的轉(zhuǎn)變將推動效率的提高。Navitas 和 EPC 都討論了他們的集成 GaN 產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可提供更高的效率、更小的尺寸和更大的功率輸出。?

一個例子是 Navitas 的 GaNFast 電源 IC，該 IC 具有采用 GaNSense 技術(shù)的集成柵極驅(qū)動器，該技術(shù)集成了自主感應(yīng)和保護電路。?

Lidow 表示，GaN 的美妙之處在于將高壓、大功率、低壓、數(shù)字邏輯和其他器件集成在同一芯片上?！癎aN 的優(yōu)勢在于它的速度非?？欤绻銓?a target="_blank">驅(qū)動器與功率器件放在同一個芯片上，你可以獲得比兩個不同芯片中更高的速度。您還可以獲得電源效率方面的優(yōu)勢?！?

幾年前，EPC 推出了全單片功率級，可提供更高的效率和更大的功率輸出。它還轉(zhuǎn)化為更小的尺寸、更少的組件和更少的設(shè)計時間。?

Lidow 表示，EPC 預(yù)計將該技術(shù)提升到更高的集成水平，到 2023/2024 年，分立功率器件將開始從 EPC 的工具箱中淡出，取而代之的是具有板載集成功能的器件。“對于 GaN，它是關(guān)于未來的集成?！?

EPC 的 100V、65A ePower 芯片組——EPC23101 eGaN IC + EPC2302 eGaN FET——在 1MHz 開關(guān)頻率下提供 96% 的效率，在 500kHz 開關(guān)頻率下提供 97% 的效率。（來源：EPC）

SiC：進步和節(jié)省?

SiC功率器件的好處是更高的效率和更高的開關(guān)頻率。這些特性轉(zhuǎn)化為更小的系統(tǒng)設(shè)備、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本。此外，據(jù)說更高的開關(guān)頻率可以減小無源元件的尺寸。?

Wolfspeed 和 UnitedSiC 都討論了 SiC 市場的顯著銷量增長及其最新產(chǎn)品介紹。?

Kierstead 討論的一個關(guān)鍵部分集中在 Wolfspeed 的 SiC 器件上，這些器件正在推動可再生能源電力轉(zhuǎn)換和存儲的變革。?

在他看來，Wolfspeed 產(chǎn)品組合的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于，該公司涵蓋了從 6 kW 到 22 kW 的充電器側(cè)應(yīng)用，并已擴展到太陽能儲能系統(tǒng) (ESS) 市場。?

“好處當(dāng)然是更高的效率，”他說?！拔覀兛梢垣@得更高的開關(guān)頻率。所有這些都推動了更小、更輕、具有更高效率的系統(tǒng)級設(shè)備，并且與功率密度一起，它使我們能夠降低系統(tǒng)成本。?

“我們的功率密度提高了大約 50%——同樣，更小、更輕、更冷——我們能夠展示出大約 18% 的凈系統(tǒng)成本效益，”他補充道。?

對于 UnitedSiC，其戰(zhàn)略的很大一部分是提供低 R DS( on)。Losee 將部分討論內(nèi)容用于其具有 6-mΩ SiC FET 的 750-V Gen 4 產(chǎn)品系列。與 650-V SiC MOSFET 相比，第 4 代 750-V FET 的每單位面積導(dǎo)通電阻低 3 倍。?

Losee 說，這是通過利用具有低壓 Si MOSFET 的?！皩?dǎo)通”、極低導(dǎo)通電阻 SiC JFET 來?實現(xiàn)每單位面積的最低 R DS( on) 。

該公司對 SiC FET 設(shè)計采用了一種略有不同的方法，即使用基于 SiC JFET 的級聯(lián)技術(shù)。與標準 SiC FET 相比，引用的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是 JFET 卓越的跨導(dǎo)和良好的 I d sat特性，這使得 UnitedSiC 能夠在其標稱條件下調(diào)整短路性能而不會大幅降低導(dǎo)通電阻。?

UnitedSiC 聲稱，750V、6mΩ SiC FET 的 R DS(on)?值不到最接近的 SiC MOSFET 競爭對手的一半。（來源：UnitedSiC）?

UnitedSiC 還通過更廣泛的選項范圍提供更大的設(shè)計靈活性 — 在這種情況下，使用 750-V FET 提供從 6 mΩ 到 60 mΩ 的廣泛產(chǎn)品組合。?

Losee 說，有了完整的產(chǎn)品組合，設(shè)計人員不必在優(yōu)化他們的系統(tǒng)以提高效率、成本或熱管理方面做出重大妥協(xié)。?

X-trinsic 的 Rhoades 向上游邁出了一步，討論了 SiC 晶圓以及將 SiC 單晶圓盤轉(zhuǎn)化為設(shè)備就緒晶圓的任務(wù)中的工藝順序（和挑戰(zhàn)）。?

SiC 的獨特之處在于它是一種極其堅硬的晶體，而且它還具有化學(xué)惰性，因此很難通過順序步驟。?

“你必須在考慮碳化硅特性的情況下重新開發(fā)這些工藝，每一步都需要更長的時間，而且可能會更昂貴，”羅德斯說。?

例如，“很多人現(xiàn)在都在使用圍繞鉀和高錳酸鹽配制的漿料，”他說?！斑@是使 SiC 現(xiàn)在能夠以合理數(shù)量供應(yīng)的創(chuàng)新之一，當(dāng)然，每個人都希望降低成本?！?

Rhoades 注意到拐點出現(xiàn)在 200 毫米處，并過渡到單晶片處理。在 100 毫米到 150 毫米的晶圓尺寸中，傳統(tǒng)的工藝順序涉及晶圓拋光和成型步驟中的批量拋光和批量研磨，當(dāng)您獲得更大的晶圓尺寸時，這些開始顯示出幾何限制，這意味著您將無法每批獲得盡可能多的晶圓，他說。?

他補充說，制造方法有很多創(chuàng)新空間，以推動更高的產(chǎn)量和更低的成本，這將有利于整個行業(yè)。

審核編輯 黃昊宇