深度剖析超宽禁带技术，看它如何成就卓越设计

追求更高的性能

意大利血统让我不仅热爱意大利美食，就连汽车也是喜欢法拉利SF90 Stradale比雷克萨斯ES300多一些。SF是Scuderia Ferrari的缩写，90表示成立90周年，因此可以看出这是一款为庆祝法拉利车队成立90周年推出的公路跑车。SF90 Stradale是首款采用插电式混合动力电动汽车（PHEV）架构的法拉利跑车，其内燃发动机集成了三台电动机。尽管法拉利的混合动力汽车被誉为高性能的工程艺术品，但这款新的混合动力电动汽车更是具备超凡极致的表现（车辆仅在2.5秒内可达0-100公里/小时速度），创下了法拉利最新记录。

卓越的性能

与SF90一样，超宽禁带 (UWBG) 半导体具有许多卓越的性能，它的出现为许多领域开辟了新的机遇。UWBG禁带比硅（Si，禁带宽度1.1eV）、宽禁带半导体（如GaN，禁带宽度3.4eV）和碳化硅（SiC，禁带宽度3.3eV）都要宽得多。其中，氧化镓 (Ga2O3)、立方氮化硼 (C-BN)、氮化铝镓 (AlGaN) 等材料是UWBG的典型代表。本文将对这些UWBG半导体材料及其在电子设计中的潜在应用进行介绍。本文中的UWBG是指禁带宽度≥4eV的半导体材料。

WBG

在了解UWBG半导体之前，我们先回顾一下WBG半导体有别于传统硅器件的地方。WBG半导体与同等的硅器件相比更小、更快、更高效。WBG器件能在极具挑战性的操作条件下提供极高的可靠性。在电力电子领域，WBG与Si相比具有如下特性：损耗低、效率高、开关频率高、设计紧凑、耐高温、在恶劣环境下的仍能稳定工作，以及高击穿电压等特性。此外，WBG的应用范围十分广泛，从电机驱动器和电源等工业应用，到混合动力和电动汽车 (HEV/EV)、光伏 (PV) 逆变器、铁路和风力涡轮机等汽车和运输系统都有所涉及。WBG产品供应商有：

GaN Systems

Infineon Technologies

ON Semiconductor

Qorvo

ROHM Semiconductor

STMicroelectronics

Wolfspeed/Cree

UWBG半导体材料

氮化铝镓 (AlGaN)

GaN是WBG半导体材料的典型代表。当铝与氮化镓产生反应时，就产生了AlGaN这种UWBG半导体材料，它的禁带宽度通常在3.4eV-6.2eV的范围内。AlGaN可以支持波长约为220nm-450nm的光，因此常被用于制造发光二极管 (LED) 和激光二极管。此外，它还可用于紫外探测器和高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

氮化铝 (AlN)

Al与氧化氮（也称为氮化物）经过化合反应就会产生氮化铝 (AlN)。与AlGaN一样，AlN也常被用于光电产品，比如紫外线 (UV) LED灯。AlN禁带宽度为6.1eV，导热性优，化学稳定性好，并具有高工作频率和高功率等特性。

立方氮化硼 (C-BN)

硼和氮经过化合反应可以生成氮化硼，立方氮化硼 (C-BN) 即为其中一种。C-BN的禁带宽度为6.4eV。这种化合物的独特之处在于，它与禁带宽度为5.5 eV的金刚石、纯碳具有相似的性质。金刚石是自然界中最坚硬的材料， C-BN不像金刚石那么硬，但它能提供更高的化学和热稳定性。

氧化镓 (Ga2O3)

Ga2O3禁带宽度为4.9eV，它是一种无机化合物，可以说是镓的氧化物（见表1），主要用于光电应用。这种材料可以在室温下进行掺杂，在多个领域具有潜在优势。科学家们正在探索利用熔体生长制造大块单晶的低成本、大直径晶片的可能性。

表1：几种UWBG材料的禁带宽度对比（来源：作者）

材料	禁带宽度 (eV)
氧化镓 (Ga2O3)	4.9
金刚石	5.5
氮化铝 (AlN)	6.1
氮化铝镓 (AlGaN)	6.2
立方氮化硼 (C-BN)	6.4

对电力电子设备的影响

WBG半导体在各种应用中均实现了更有效、紧凑的功率转换，并且具有较低的欧姆损耗。探索UWBG半导体材料的动机是希望大幅提升功率密度，类似于从Si到WBG元件的转变。UWBG半导体还拥有在不引发热击穿或可靠性问题的情况下切换大电压的潜力，例如，AlGaN的Ron值可能比GaN低10倍。UWBG还具有：

高频、高效率

低欧姆损耗

较少的元件数

高可靠性

品质因数

工程师采用品质因数 (FOM) 来表示转换器功率密度（即每单位体积处理的功率量）的高低。我们通常使用下面两个基本FOM来表征半导体材料与功率密度的关系：

vUFOM：(ɛµnEc3)/4

HM-FOM：Ecµn1/2

UFOM公式是由关态、高斯定律和开态之间的数学关系导出的。其中，我们需要特别关注的是临界电场EC，GaN的EC介于4和5之间，而 AlN的EC则约为13。

Si的相对FOM为1。将GaN和AlN的Ec值代入上述FOM公式， 即可看到AlN以及相关UWBG半导体材料拥有非常高的FOM值，据此可以预测出UWBG将让高密度电源转换应用迎来广阔的发展前景（表2）。目前设计人员正在对两终端器件进行评估，包括PiN、肖特基势垒 (SBD)、结势垒肖特基 (JBS) 及混合PiN/Schottky (MPS) 二极管，以试图开发出可行的元件。

表2：品质因数 (FOM) 值（来源：Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE）

	Si	GaN	AIN
vFOM	1	1,480	43,650
HM-FOM	1	11.3	30.5

UWBG的优势

在中频（1kHz到1MHz）、高压时，UWBG与WBG相比优势较为突出。但在低频和高频时由于存在其他影响性能的因素，这种优势就不那么明显了。

与WBG材料相比，UWBG具有更高的击穿电压和禁带。漂移区越厚的UWBG半导体器件，击穿电压就越高。AlGaN器件中较高的铝含量也会导致高击穿电压。然而，这有一个缺点， 因为铝含量高不仅会提高电子迁移率，还会提高热导率。增大临界电场 (Ec) 有可能会增加击穿电压值 (VB)。理论上可以设想用AlN制作击穿电压为1 x 105的元件。

UWBG还为射频设备带来了优势。铝含量高的AlGaN由于具有较高的临界电场 (Ec)，因此具有较高的Johnson品质因数 ((J-FOM)。临界电场与禁带的这种关联可以优化FOM，从而为超越现有电力电子的边界提供了巨大的潜力。

潜力深不可测

目前研究人员正在对基础材料进行进一步的研究，以便更高效地制造大块和外延UWBG半导体。此外，也在寻找优化掺杂工艺和表征材料的同时，减少潜在缺陷的绝佳方法，尤其是随着铝含量的增加，p型材料掺杂也越趋复杂。

铝含量高的合金不适合进行空穴热激活。物理学家们正在积极利用半导体材料的光学特性和电击穿现象带来的全新挑战，并取得了一些可观的进展。合适的边缘终端可以防止过早击穿，因此工程师们都在积极评估各种边缘终端方案，同时也在收集可以证明UWBG半导体材料优势的应用信息。

结论

UWBG代表了下一代超高性能的高功率电子产品。在了解它们在未来电子设计中的潜在优势和应用时，我们可以肯定，创新将继续推动技术进步，以帮助设计师超越当前限制并实现突破性发展。随着科学家和设计师不断改进工艺，最终有望在设计中可以展现UWBG半导体的优越性。

审核编辑：郭婷