GaN和SiC功率器件的基礎(chǔ)知識

在技術(shù)會議上，Lidow 討論了 GaN 功率器件相對于硅 (Si) 等效器件的一些基本熱和電氣優(yōu)勢，以及 GaN 功率器件的四大應(yīng)用——激光雷達、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器和衛(wèi)星電子設(shè)備. 他還談到了 EPC 的產(chǎn)品戰(zhàn)略，其中包括提高性能和集成度的計劃。

關(guān)于 SiC 基本原理的辯論由北卡羅來納州立大學(xué)電氣和計算機工程教授、PowerAmerica 執(zhí)行董事兼首席技術(shù)官 Victor Veliadis 博士進行。他說，Si 功率器件正在達到其實際限制，因為它們的帶隙和臨界電場相對較低，導(dǎo)致大量的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗以及較差的高溫性能。

Veliadis 在他的技術(shù)演講中討論了 SiC 的材料特性以及 SiC 器件取代其現(xiàn)有 Si 器件的應(yīng)用潛力。他還討論了材料和器件生產(chǎn)的問題，以及 MOSFET 的設(shè)計，現(xiàn)在絕大多數(shù)基于 SiC 的電力電子系統(tǒng)都采用了這些問題。

氮化鎵的基本原理

以下是 Lidow 演講的重點，首先討論 GaN 的優(yōu)勢。

Lidow 說，設(shè)計人員首先提出的一些問題是“什么時候適合使用 GaN 以及有哪些優(yōu)勢”。雖然這些問題是恰當(dāng)?shù)?，但他說最大的問題實際上是“為什么要繼續(xù)使用硅”。

Lidow 說，GaN 有很多優(yōu)點。“它更小、更快、更高效、成本更低，這在過去幾年的市場定價中得到了體現(xiàn)?！?/p>

然而，GaN 技術(shù)的兩個顯著優(yōu)勢是其抗輻射性和集成度，Lidow 說?！芭c GaN 相比，定義功率轉(zhuǎn)換未來的最大優(yōu)勢是更容易集成多個功率器件?！?/p>

在基本半導(dǎo)體特性（帶隙、臨界電場和電子遷移率）的材料比較中，GaN 被證明是一種優(yōu)異的材料?！癝i 的帶隙略高于一個電子伏特，臨界電子場為 0.23 MV/cm，而 GaN 的電子遷移率和帶隙更寬，這意味著鎵和晶格中的氮原子比硅之間的多，”Lidow 說?！八c SiC 非常相似，兩者的帶隙都約為 3.26，”Lidow 說。

他指出，這反映在臨界電場中，GaN 的臨界電場要大一個數(shù)量級以上。這意味著未來的電源設(shè)備可以做得更小。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：EPC）

他補充說，GaN 的另一個優(yōu)點是它比 Si 或 SiC 具有更好的電子遷移率，因此由于所有這些原因，它是一種從根本上優(yōu)越的半導(dǎo)體。
Lidow 表示，由于臨界電場優(yōu)勢，SiC 和 GaN 都明顯優(yōu)于 Si 的理論局限性，而 GaN 具有優(yōu)于所有這些的基本優(yōu)勢，這源于兩個因素：更高的臨界電場和更好的遷移率.

Lidow 進一步深入探討了 GaN 如何使用這些特征來創(chuàng)建二維電子氣以及為什么這具有優(yōu)勢。此外，他還提到了增強型器件，例如可以通過開發(fā)摻雜鎂的 GaN 晶體，然后在頂部生長富含受體的晶體來制造。

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熱管理是 GaN 的另一個優(yōu)勢。Lidow 一直被問及如何從這些微小的 GaN 器件中散熱?！八鼈兒苄?，但它們的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗要低得多，所以它不會產(chǎn)生那么多的熱量，但有一個基本的優(yōu)勢?！?/p>

GaN 和 Si 基本上受到撞擊 PC 板的焊點數(shù)量的限制，并且受到 PC 板將熱量帶走的能力的限制，但要考慮結(jié)到外殼的熱阻，這會在其他各個方向散發(fā)熱量，GaN 器件比硅具有 6 倍的優(yōu)勢，他補充道。

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“這意味著如果你有任何類型的頂部冷卻，無論是在設(shè)備上吹氣還是在頂部進行更復(fù)雜的熱管理，你都可以獲得更高的功率密度。事實上，對于相同芯片尺寸的 GaN 器件（EPC 芯片級器件），您可以獲得大約低 10 倍的熱阻，然后您就可以獲得硅器件?！?/p>

他說，如果管理得當(dāng)，這會轉(zhuǎn)化為一個數(shù)量級的 GaN 器件更好的散熱機會。

另一個重大機遇是整合。

“GaN 本身是半絕緣的，因此在表面上制造的設(shè)備不會相互通信，除非您將它們進行電氣連接，因此您可以在同一芯片上制造低功率設(shè)備和低電壓設(shè)備作為高功率、高-電壓裝置，”利多說?！澳闼龅木褪强s小尺寸?？s小源極到柵極的尺寸，你會得到一個電壓更低的器件；縮小所有尺寸，你會得到一個更低功率的設(shè)備?！?/p>

根據(jù) Lidow 的說法，可以添加額外的功率器件來創(chuàng)建單片半橋，這在 15-20 伏以上的硅中是極其困難的。由于 GaN 對電壓不敏感，因此您可以擁有一個帶有高邊和低邊器件的完全單片功率級，以及一個位于高邊的信號電平器件和一個電平轉(zhuǎn)換器件，用于在頂部和底部之間進行通信。他說，底層。

“您可以從這里開始添加傳感器和控制并制作完整的片上系統(tǒng)，EPC 多年來一直在這樣做，”Lidow 說?！拔覀冊谄吣昵巴瞥隽宋覀兊牡谝粋€單片半橋，我們的設(shè)備在與 FET 相同的芯片上有驅(qū)動器和一個全單片功率級，它具有各種傳感器、驅(qū)動器、電平轉(zhuǎn)換器和邏輯，現(xiàn)在非常流行在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、機器人和電動汽車應(yīng)用中?！?/p>

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單擊以獲取更大的圖像。（來源：EPC）

他還介紹了自 2011 年至 2021 年 GaN 技術(shù)取得的進展（見下圖）。

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Lidow 說，GaN 正在取代硅，而且由于 EMI、效率、成本、尺寸和集成度的改進，它不會放慢速度。

EPC 的下一步將是新的電源芯片組，它將在大約兩周內(nèi)推出。第一批設(shè)備將是一個 65 安培的功率級芯片組，包括交叉保護、傳感和邏輯?！斑@些將是我們第一批采用封裝形式的設(shè)備，”他說。

EPC 路線圖中的主要亮點是 Gen 6 器件，預(yù)計將于 2022 年第四季度發(fā)布，多通道高端器件（全片上系統(tǒng)器件）將于 2024 年發(fā)布。

碳化硅的基本原理

以下是 Veliadis 演講的亮點。他介紹了 WBG 器件的優(yōu)勢以及 SiC 的挑戰(zhàn)和機遇。

Veliadis 指出，由于 SiC 和 GaN 器件具有更高的熱導(dǎo)率、能隙 (eV) 和臨界電場，因此它們都可以實現(xiàn)更高效、更新穎的電力電子設(shè)備。

Veliadis 說，大帶隙和臨界電場允許具有更薄層的高壓器件，從而導(dǎo)致更低的電阻和相關(guān)的傳導(dǎo)損耗、低泄漏和穩(wěn)健的高溫操作。此外，更薄的層和低比導(dǎo)通電阻允許更小的外形尺寸，從而降低電容，實現(xiàn)更高頻率的操作和更小的無源元件，并且大熱導(dǎo)率允許通過簡化的熱管理實現(xiàn)高功率操作，他說。

“這些是 SiC 和 GaN 的巨大優(yōu)勢，并導(dǎo)致了我們今天看到的大規(guī)模增長，”他說。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：PowerAmerica）

<>Veliadis 還討論了 SiC 的一些關(guān)鍵應(yīng)用，包括汽車、信息技術(shù)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電動機驅(qū)動器和航空航天。

他說，碳化硅的數(shù)字應(yīng)用是電動汽車（EV）大幅增長的汽車行業(yè)?！案邏禾蓟鑼⒔鉀Q電動汽車的最大問題之一，即在加油站完成類似事情所需的時間內(nèi)為汽車充電的能力?！?/p>

他補充說，在數(shù)據(jù)中心，熱管理是一個大問題，因此任何提供更高效率的技術(shù)（如 SiC 和 GaN）都將大大有助于改進該應(yīng)用。其他重要的應(yīng)用是可再生能源和電動機驅(qū)動器，它們消耗了全球約 50% 到 60% 的電力。

他說，最后但并非最不重要的是，航空航天業(yè)正朝著全電動飛機發(fā)展，其目標是實現(xiàn)更高的效率以及更低的噪音和排放。

“今天的電力電子工程師有多種選擇；他們可以在應(yīng)用中使用 Si、SiC 或 GaN，”Veliadis 說?！皢栴}是‘您如何選擇在您的應(yīng)用中使用哪種類型的技術(shù)’，答案是您必須考慮您的電壓要求、電流水平、頻率要求、您的應(yīng)用所需的效率、溫度要求，當(dāng)然還有成本考慮。”

下面的英飛凌圖表顯示了不同技術(shù)提供最大優(yōu)勢的領(lǐng)域。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：英飛凌，PowerAmerica 提供）

“在較低頻率和非常高的功率下，硅是最有力的競爭者，隨著頻率的增加，硅會變得更有損GaN 是一個極好的解決方案，”他說?！肮柙?15 至 650 V 的電壓范圍內(nèi)極具競爭力，而 GaN 在 100 至 650 V 的電壓范圍內(nèi)極具競爭力。[他還指出，一家 GaN 公司擁有 900-V 器件。] SiC 在 1200 V 和 1700 V 等高電壓下極具競爭力V 和 3.3 kV 器件已經(jīng)過演示，并且?guī)准夜?yīng)商以及 6.5 kV 和 10 kV 器件即將作為產(chǎn)品發(fā)布?！?/p>

但 Veliadis 表示，650V 范圍內(nèi)是一個巨大的戰(zhàn)場市場，Si、GaN 和 SiC 都在該范圍內(nèi)展開競爭?！肮璺浅？煽?，非常堅固，而且價格便宜且能夠提供高電流，而 GaN 以非常合理的成本提供非常高的效率。GaN 也是一種 CMOS 兼容器件，因此它利用了硅的規(guī)模經(jīng)濟，并在大型晶圓廠制造。SiC 非常高效，可在高電流和高頻率下運行?！?/p>

Veliadis 還深入探討了平面和溝槽 SiC MOSFET 之間的差異，他將其稱為電力電子的主力軍。討論涉及遷移率、電場、漂移層、導(dǎo)通電阻、阻斷電壓能力和擊穿場性能。

他還詳細介紹了幾個晶圓制造問題和大規(guī)模商業(yè)化之路，提供了有關(guān)如何解決這些挑戰(zhàn)的技巧?？傮w挑戰(zhàn)是 SiC 制造工藝需要投資選擇工具和非 CMOS 兼容工藝的開發(fā)。

“與 GaN 非常相似的 SiC 制造非常重要，”Veliadis 說?！熬?SiC 而言，您需要購買特定工具并開發(fā)與硅 CMOS 不兼容的特定工藝。我們利用了所有成熟的 Si 工藝，這些工藝已成功轉(zhuǎn)移到 SiC 以利用規(guī)模經(jīng)濟?！?/p>

然而，碳化硅材料特性需要開發(fā)特定的工藝，他說。

一些挑戰(zhàn)包括蝕刻 - 由于高溫，濕法蝕刻對 SiC 不實用；基板減薄以降低電阻；摻雜——傳統(tǒng)的熱擴散對 SiC 也不實用，需要新的注入和注入退火工藝，以及平整晶圓以減輕高溫退火的影響；實現(xiàn)良好的歐姆接觸形成，并選擇 CTE 匹配的金屬。

涵蓋的其他挑戰(zhàn)包括柵極氧化物、透明晶圓、碳化硅晶圓缺乏平整度以及絕緣電介質(zhì)。最終，應(yīng)對這些挑戰(zhàn)有望產(chǎn)生更好的基板、更高的可靠性、更少的缺陷、更高的堅固性和更低的成本。

根據(jù) Veliadis 的說法，當(dāng)行業(yè)轉(zhuǎn)向 200 毫米晶圓時，尤其需要能夠改進這些工藝，這些晶圓有望將 SiC 成本降低約 20% 或更多。

他估計，要使一家硅代工廠能夠加工 SiC 晶片，大約需要 10-1500 萬美元的投資。

除了制造挑戰(zhàn)之外，他還指出了供應(yīng)鏈問題?！皩τ谑褂?SiC 代工廠的硅世界，您在工藝和設(shè)計方面都處于競爭狀態(tài)，第二個問題是晶圓產(chǎn)能供應(yīng)鏈是 SiC 的一個問題，因為它增長非?？?，所有公司都在尋找獲取低成本、高質(zhì)量襯底晶圓來源的方法。

審核編輯：郭婷