GaN和SiC基功率半导体的宽带隙技术

寻找硅替代物的研究始于上个世纪的最后二十年，当时研究人员和大学已经对几种宽带隙材料进行了试验，这些材料显示出替代射频，发光，传感器和功率半导体的现有硅材料技术的巨大潜力。应用程序。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，从而留下了其他潜在的替代品，从而引起了全球工业制造商的足够关注。

 

在接下来的几年中，重点是调查与材料有关的缺陷，为新材料开发定制的设计，工艺和测试基础架构，并建立某种可重现的无源（二极管）器件和几种有源器件（MosFET，HEMT，MesFET，JFET）或BJT）开始进入演示板，并能够证明宽带隙材料带来的无可争议的优势。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多达十倍的降低，从而允许在明显更高的频率下连续运行，从而减小了系统的重量和最终应用的尺寸。

 

对于这两种材料，仍然需要解决一些独特的挑战：

 

GaN非常适合中小型功率（主要是消费类应用），似乎可以实现高度的单片集成，其中一个或多个功率开关与驱动器电路共同封装，有可能在单片芯片上创建功率转换IC ，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，在硅生产设施中可能会作为无意的受主而产生副作用，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）仍然是至关重要的要求。此外，在MO-CVD外延工艺中，GaN沉积在晶格不匹配的载体（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），这可以减轻膜应力和晶体缺陷，

 

GaN功率器件通常是横向HEMT器件，其利用了源极和漏极之间的固有二维电子气通道，该通道由肖特基类型的金属进行选通。

 

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锭的生长是6英寸的成熟且广泛可用的资源。早期行动者最近开始评估8英寸晶圆，并且希望在未来五（5）年内，SiC制造将扩展到8英寸晶圆生产线。

 

 

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。晶体缺陷（通过视觉和/或电应力测试消除）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，还存在一些挑战，这些挑战使SiC FET在100V至600V的电压范围内无法与Silicon 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。在单一屋顶下建立制造能力，其中包括晶体生长，晶片和抛光，外延，器件制造和封装专业知识，包括优化的模块和封装，其中考虑了快速瞬变和热功能或宽带隙器件（WBG）的局限性允许最低的成本，最高的产量和可靠性。

 

凭借广泛而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的直接替代品已经为WBG技术市场做好了准备。在针对特定拓扑调整电气性能以继续提高功率效率，扩大驱动范围，减少重量，尺寸和组件数量，以及在工业，汽车和消费领域实现新颖，突破性的最终应用方面，还有更多的潜力。

 

图2：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。通过https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap提供了参考设计

 

实现快速设计周期的关键要素是精确的香料模型，其中包括热性能和校准的封装寄生特性，几乎可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以及全球范围的支持基础结构。

 

未来的十（10）年将见证另一场历史性的变革，其中GaN和SiC基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。