分析用于电力电子的宽带隙半导体

随着对电动汽车的需求与日俱增，对电能处理和转换的可靠电力电子系统的需求也在增长。我们目前依赖的半导体将在未来几年面临短缺。在过去的几年里，对更小、更节能设备的需求一直在上升。传统半导体在电路性能方面面临多重限制：这导致了宽带隙半导体研究的兴起。

使用宽带隙半导体的技术可以满足当今行业所需的所有需求。顾名思义，它们具有更大的带隙，因此各种电子设备可以在高电压、高温和高频率下工作。碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 是最近推出的宽带隙半导体，它们具有更高的功率效率、更小的尺寸和重量以及更低的总体成本的优势。因此，SiC 和 GaN 将取代硅制造的器件，因为它们有一些局限性。

为什么选择碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN）？

SiC 已被证明具有更高的输出功率应用，这在电动汽车 （EV） 领域非常有用，因此可广泛用于工业自动化。GaN 具有更高的开关频率和更低的功耗。与硅相比，GaN 具有更高的电子迁移率，这使得电子在通过半导体时能够快速移动。

宽带隙材料的性质

宽带隙材料具有 3eV+ 的宽带隙，因此它成为执行高压操作的重要特性。迁移率和饱和速度适用于场效应晶体管 （FET） 的 2D 通道中的高开关频率。SiC 的这些规范的缺点之一是，在 SiC 接口期间，迁移率降低。在 GaN 中，二维迁移率成为可能，因为它具有高密度的二维电子气，同时利用其压电特性进行接口和调制掺杂。GaN FET具有各种优点，例如更高的工作频率、更好的导热性、更高的熔点等。

图1：半导体材料对比分析

宽带隙技术的成熟度

WBG 材料的基本特性可以概括为品质因数 （FOM）。对 2015 年之后制造的硅超结 MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN FET 等新型半导体器件的研究对于评估器件的成熟度和确定需要改进的领域非常有用。例如，与高压操作和电阻功率损耗相关的参数由 Baliga FOM （B FOM ） 捕获。这是基于一维静电的单极器件在通态电阻奇偶校验时的归一化击穿电压。B FOM 与载流子迁移率成正比，也与单极器件（例如 MOSFET 和高电子迁移率晶体管 （HEMT））的运行有关。

宽带隙 FET

SiC MOSFET 分为两种结构，即 -

平面

沟

图 2：平面 （a） 沟槽 （b）

高界面陷阱密度导致低迁移率，这限制了 R ds（on）。R ds（on）是导通电阻，这意味着它是 MOSFET 的漏极和源极之间的电阻。如果R ds（on）的值较小，则表明功率损耗较小。SiC MOSFET的范围为1.2KV- 6.5KV，击穿电压为15kv。R ds（on）对于将 SiC MOSFET 用于应用目的来说太高了，所以如果我们提高沟道迁移率，实际上可以解决问题。

比较硅 （Si） 与碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN）的优缺点

图 3：Si、SiC 和 GaN 之间的比较

GaN的局限性

尽管具有各种优势，但在使用 GaN 时也存在一些基于可靠性的限制。一旦 GaN 的制造工艺变得更加先进，这些限制就可以消除。

一些限制包括：-

动态电阻退化：当GaN处于高开关操作状态时，半导通状态是由高漏极电压和电流引起的，这会影响电路的性能。因此，会发生负电荷的俘获。根据研究，降解是由于表面和缓冲层电荷俘获的共同作用。

图 4：与器件 S2 （b） 相比，器件 S1 （a） 的低掺杂碳缓冲区的厚度要小得多。在 30°C 和 150°C 之间的温度范围内，测量的 Rds（ON） 作为应力时间的函数。

pGaN HFET 的阈值电压不稳定性： 这是 pGaN HFET 中的一个严重问题。欧姆门的性质决定了阈值电压的不稳定性。

SiC和GaN的市场潜力

宽带隙半导体在行业中正在迅速增加或扩展，但由于技术壁垒，它们仅限于利基市场。GaN 器件的年总收入占全球功率半导体市场的 0.1%。根据未来市场预测，未来5年年增长率将达到35%至75%。大部分收入可以来自低端市场，包括快速充电器、显示器和数据中心在内的消费产品。

WBG Semiconductors 还可用作光伏系统的 SiC 逆变器、GaN 和 SiC 整流器、电动汽车超快速充电器的 DC/DC 转换器。GaN 和 SiC 具有增强电力电子性能并获得比传统硅器件更有效输出的潜力。考虑到 WBG SiC 和 GaN 的局限性，与硅器件相比，还有更多的改进空间，只有在技术增强后才能实现所需的改进。与传统的 MOSFET 相比，WBG 材料要经济得多。随着制造技术的改进，SiC 和 GaN 基 MOSFET 的限制将一时消除，创造更多优势，WBG 半导体市场将迅速出现增长潜力。

审核编辑：郭婷