宽带隙技术：21世纪电力电子应用的新规范

在过去的二十年中，研究人员和大学已经对几种宽带隙材料进行了实验，这些材料显示出巨大的潜力来替代射频，发光，传感器和功率半导体应用中的现有硅材料技术。在新世纪即将来临之际，氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)达到了足够的成熟度并获得了足够的吸引力，从而抛弃了其他潜在的替代方法，并得到了全球工业制造商的足够关注。

最近，重点是研究与材料有关的缺陷。为新产品开发定制的设计，过程和测试基础结构;并建立一种可重现的无源(二极管)器件和几种有源器件(MosFET，HEMT，MesFET，JFET或BJT)，这些器件开始进入演示板，并证明了宽带隙(WBG)材料无可争议的优势。关于功率半导体，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的减少多达十倍，从而允许在明显更高的频率下连续运行，从而减小了系统重量和最终应用的尺寸。

对功率半导体器件的需求不断增长，带动了宽带隙半导体市场。关键参与者一直在投资于SiC和GaN的材料和晶圆的开发和大规模生产。WBG市场走向何方?谁是主导者?他们如何解决数十年来历史悠久的高成本，数量有限和供应链受限的问题?该《 EE Times》特别项目将揭示WBG半导体市场的技术，应用和动态。

对于这两种材料，仍然存在一些独特的工程挑战：

GaN非常适合中小功率，主要是消费类应用的氮化镓，似乎允许高度集成，其中一个或多个电源开关与驱动器电路一起封装，并有可能在集成电路上创建电源转换IC。单片芯片，由最先进的8–12英寸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的，无毒的金属，在硅生产设备中可能会作为无意的受体而产生副作用，因此严格分隔许多制造工艺步骤(如干法蚀刻，清洁或高温工艺)仍然是关键要求。

此外，GaN在MO-CVD外延工艺中沉积在晶格不匹配的载体(例如SiC)上，或者沉积在较大的晶片直径上(通常甚至沉积在硅上)，这会引起膜应力和晶体缺陷，这主要导致器件不稳定，并有时导致灾难性事故。失败。

GaN功率器件通常是横向HEMT器件，其利用由肖特基型金属进行选通的源极和漏极之间的固有二维电子气通道。

另一方面，SiC由硅和石墨的丰富成分组成，它们共同构成了地壳的近30%。工业规模的单晶SiC铸锭的增长为6''提供了完善且广泛可用的资源。早期行动者最近已经开始评估8“晶圆，并且希望在未来五年内，SiC制造将扩展到8”晶圆生产线。

图1. 6英寸晶圆上的碳化硅成熟度—半透明碳化硅衬底与成品晶圆的比较。

SiC肖特基二极管和SiC MOSFET在市场上的广泛采用提供了所需的缩放效果，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尺寸芯片的良率。此外，由于沟道迁移率低，存在一些挑战，这会阻止SiC FET在100-600 V之间的范围内与硅FET竞争。

市场领导者已经意识到垂直供应链对制造GaN和SiC产品的重要性。在单一屋顶下增强制造能力-包括晶体生长，晶圆加工和抛光，外延，器件制造以及封装专业知识，包括优化的模块和封装，其中考虑了快速瞬变和热性能或宽带隙(WBG)器件的局限性—允许低成本以及高产量和可靠性。

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和超结MOSFET的替代产品为WBG技术做好了市场准备。在根据选择性拓扑调整电气性能以继续提高电源效率方面还有更多潜力。扩大驾驶范围;减少重量，尺寸和组件数量;并实现在工业，汽车和消费领域的新颖，突破性的最终应用。

图2：单击图像放大。在PFC和LLC阶段均使用1200V SiC MOSFET的最高效率车载充电器系统，可实现最高的功率密度和最低的重量。

能够实现快速设计周期的关键因素是精确的香料模型，其中包括热性能和校准的封装寄生效应(几乎适用于所有流行的仿真器平台)以及快速采样支持，应用笔记，定制的SiC和GaN驱动器IC，以及全球支持基础架构。

未来十年将见证另一个历史性的变革，其中基于GaN和SiC的功率半导体将推动功率电子封装集成和应用领域的根本性发明。在此过程中，硅器件将几乎从电源开关节点中消除。尽管如此，他们将继续在高度集成的功率IC和较低电压范围中寻求庇护。