GaN和SiC的技術(shù)挑戰(zhàn)

每個(gè)世紀(jì)在人類(lèi)努力的各個(gè)領(lǐng)域都有其重大發(fā)明。對(duì)于電力電子而言，21世紀(jì)正在加速發(fā)現(xiàn)寬帶隙。在過(guò)去的二十年里，研究人員和大學(xué)已經(jīng)對(duì)幾種寬帶隙材料進(jìn)行了試驗(yàn)，這些材料顯示出在射頻、發(fā)光、傳感器和功率半導(dǎo)體應(yīng)用中替代現(xiàn)有硅材料技術(shù)的巨大潛力。新世紀(jì)之初，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已經(jīng)足夠成熟，并獲得足夠的牽引力，將其他潛在的替代品拋在身后，并得到全球工業(yè)制造商的充分關(guān)注。

最近，重點(diǎn)是調(diào)查與材料相關(guān)的缺陷；為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)定制的設(shè)計(jì)、流程和測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施；并建立一個(gè)可重現(xiàn)的無(wú)源（二極管）設(shè)備和幾個(gè)有源設(shè)備。（MosFET、HEMT、MesFET、JFET 或 BJT）等器件開(kāi)始進(jìn)入演示板，并展示了寬帶隙 (WBG) 材料帶來(lái)的無(wú)可爭(zhēng)辯的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于功率半導(dǎo)體，這些包括工作溫度范圍的擴(kuò)展、電流密度的增加以及高達(dá)十倍的開(kāi)關(guān)損耗降低，從而允許在顯著更高的頻率下連續(xù)工作，從而減少系統(tǒng)重量和最終應(yīng)用的尺寸。對(duì)于這兩種材料，仍然存在一些獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)：

GaN 非常適合中低功率應(yīng)用，主要是消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。它允許在有一個(gè)或多個(gè)電源開(kāi)關(guān)的情況下實(shí)現(xiàn)高度的單片集成。與驅(qū)動(dòng)電路共同封裝，具有在最先進(jìn)的 8–12 英寸混合信號(hào)晶圓制造廠制造的單片芯片上創(chuàng)建電源轉(zhuǎn)換 IC 的潛力。鎵被認(rèn)為是一種稀有、無(wú)毒的金屬，可能會(huì)在硅生產(chǎn)設(shè)施中作為無(wú)意的受體產(chǎn)生副作用，因此對(duì)于許多制造工藝步驟（如干法蝕刻、清潔或高溫工藝）來(lái)說(shuō)，鎵是嚴(yán)格分離的，仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。

此外，GaN 是在 MO-CVD 外延工藝中沉積在晶格不匹配的載體（如 SiC）上或更大的晶圓直徑上，通常甚至在硅上，這會(huì)引發(fā)薄膜應(yīng)力和晶體缺陷，這主要導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，偶爾會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障.

GaN 功率器件通常是橫向 HEMT 器件，它利用源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，由肖特基型金屬門(mén)控。

另一方面，碳化硅由豐富的硅和石墨成分組成，它們共同構(gòu)成了近 30% 的地殼。工業(yè)規(guī)模的單晶 SiC 錠的增長(zhǎng)為 6 英寸提供了成熟且廣泛可用的資源。最近，先行者開(kāi)始評(píng)估 8 英寸晶圓，希望在未來(lái)五年內(nèi)，SiC 制造將擴(kuò)展到 8 英寸晶圓制造線(xiàn)。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場(chǎng)采用提供了所需的縮放效應(yīng)，以降低高質(zhì)量襯底、SiC 外延和制造工藝的制造成本。通過(guò)視覺(jué)和/或電應(yīng)力測(cè)試消除的晶體缺陷極大地影響了較大芯片尺寸的產(chǎn)量。此外，由于溝道遷移率低，還存在一些挑戰(zhàn)，這使得 SiC FET 在 100-600 V 范圍內(nèi)無(wú)法與硅 FET 競(jìng)爭(zhēng)。

市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識(shí)到垂直供應(yīng)鏈對(duì)制造 GaN 和 SiC 產(chǎn)品的重要性。在單一屋檐下建立制造能力，包括晶體生長(zhǎng)、晶圓和拋光、外延、器件制造和封裝專(zhuān)業(yè)知識(shí)。它還包括優(yōu)化的模塊和封裝，將快速瞬態(tài)和熱能力或?qū)拵?(WBG) 器件的限制考慮在內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)低成本以及高良率和可靠性。

憑借廣泛且具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制，以實(shí)現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序。硅二極管、IGBT 和超結(jié) MOSFET 替代品為 WBG 技術(shù)的市場(chǎng)做好了準(zhǔn)備。為選擇性拓?fù)涠ㄖ?a target="_blank">電氣性能以繼續(xù)提高電源效率有很大的潛力；擴(kuò)大行駛里程；減少重量、尺寸和組件數(shù)量；并在工業(yè)、汽車(chē)和消費(fèi)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新穎、突破性的終端應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)周期的一個(gè)關(guān)鍵因素是準(zhǔn)確的 spice 模型，其中包括熱性能和校準(zhǔn)的封裝寄生參數(shù)。這適用于幾乎所有流行的模擬器平臺(tái)）以及快速采樣支持、應(yīng)用說(shuō)明、定制的 SiC 和 GaN 驅(qū)動(dòng)器 IC 以及全球支持基礎(chǔ)設(shè)施。

未來(lái)十年將見(jiàn)證另一次歷史性變革，基于 GaN 和 SiC 的功率半導(dǎo)體將推動(dòng)電力電子封裝集成和應(yīng)用領(lǐng)域的激進(jìn)發(fā)明。在這個(gè)過(guò)程中，硅器件將幾乎從電源開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上消失。盡管如此，他們?nèi)詫⒗^續(xù)在高度集成的電源 IC 和較低電壓的體制中尋求庇護(hù)。

審核編輯：湯梓紅