GaN和SiC等宽带隙技术的挑战

对硅替代品的探索始于上个世纪的最后二十年，当时研究人员和大学对几种宽带隙材料进行了试验，这些材料显示出在射频、发光、传感器和功率半导体等领域替代现有硅材料技术的巨大潜力应用程序。在新世纪之初，氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已达到足够的成熟度并获得足够的吸引力，从而将其他潜在替代品抛在脑后，从而得到全球工业制造商的足够重视。

在接下来的几年里，重点是研究与材料相关的缺陷，为新材料开发定制的设计、工艺和测试基础设施，并建立一个可复制的无源（二极管）器件和几个有源器件（MosFET、HEMT、MesFET、JFET）或 BJT），它们开始进入演示板，并能够展示宽带隙材料带来的无可争议的优势。就功率半导体而言，这些包括工作温度范围的扩展、电流密度的增加以及开关损耗降低多达十倍，从而允许在显着更高的频率下连续工作，从而降低系统重量和最终应用的尺寸。

对于这两种材料，仍有一些独特的挑战有待解决：

GaN 非常适合中低功率，主要是消费类应用，似乎允许高度单片集成，其中一个或多个电源开关与驱动电路共同封装，有可能在单片芯片上创建功率转换 IC , 在最先进的 8-12” 混合信号晶圆制造厂制造。尽管如此，由于镓被认为是一种稀有、无毒的金属，作为硅生产设施中的无意受体可能会产生副作用，因此对许多制造工艺步骤（如干蚀刻、清洁或高温工艺）进行严格分离仍然是一项关键要求。此外，GaN 在 MO-CVD 外延工艺中沉积在晶格失配的载体上，如 SiC 或更大的晶圆直径，通常甚至在硅上，这会引起薄膜应力和晶体缺陷，

GaN 功率器件通常是横向 HEMT 器件，它利用源极和漏极之间的固有二维电子气通道，由肖特基型金属门控。

另一方面，碳化硅由丰富的硅和石墨成分组成，它们加起来占地壳的近 30%。工业规模的单晶 SiC 锭的生长是 6'' 中成熟且广泛可用的资源。先驱者最近开始评估 8 英寸晶圆，并希望在未来五 (5) 年内，碳化硅制造将扩展到 8 英寸晶圆生产线。

SiC 肖特基二极管和 SiC MOSFET 的广泛市场采用正在提供所需的缩放效果，以降低高质量衬底、SiC 外延和制造工艺的制造成本。通过视觉和/或电应力测试消除的晶体缺陷极大地影响了较大芯片尺寸的良率。此外，由于沟道迁移率低，存在一些挑战，这使 SiC FET 在 100 – 600V 范围内无法与硅 FET 竞争。

市场领导者已经意识到垂直供应链对于制造 GaN 和 SiC 产品的重要性。在单一屋檐下建立制造能力，包括晶体生长、晶圆和抛光、外延、器件制造和封装专业知识，包括优化的模块和封装，其中考虑了宽带隙器件 (WBG) 的快速瞬变和热能力或限制, 允许最低的成本和最高的产量和可靠性。

凭借广泛且具有竞争力的产品组合和全球供应链，新的重点正在转向产品定制，以实现改变游戏规则的应用程序。硅二极管、IGBT 和超级结 MOSFET 的直接替代品已经为 WBG 技术市场做好了准备。在为选择性拓扑定制电气性能以继续提高功率效率、扩大行驶范围、减少重量、尺寸和组件数量以及实现工业、汽车和消费领域的新型突破性终端应用方面，还有更多潜力。

图 ：最高效率的车载充电器系统在 PFC 和 LLC 阶段均使用 1200V SiC MOSFET，达到最高功率密度和最低重量。通过提供的参考设计

实现快速设计周期的一个关键因素是准确的 spice 模型，其中包括热性能和校准的封装寄生参数，几乎可用于所有流行的模拟器平台，以及快速采样支持、应用笔记、定制的 SiC 和 GaN 驱动器 IC 和世界- 广泛的支持基础设施。

即将到来的十 (10) 年将见证另一场历史性变革，其中基于 GaN 和 SiC 的功率半导体将推动电力电子封装集成和应用领域的激进发明。在此过程中，硅器件将几乎从电源开关节点中消失。尽管如此，他们仍将继续在高度集成的电源 IC 和较低电压范围内寻求庇护。

审核编辑：汤梓红