分析用于電力電子的寬帶隙半導體

隨著對電動汽車的需求與日俱增，對電能處理和轉(zhuǎn)換的可靠電力電子系統(tǒng)的需求也在增長。我們目前依賴的半導體將在未來幾年面臨短缺。在過去的幾年里，對更小、更節(jié)能設備的需求一直在上升。傳統(tǒng)半導體在電路性能方面面臨多重限制：這導致了寬帶隙半導體研究的興起。

使用寬帶隙半導體的技術(shù)可以滿足當今行業(yè)所需的所有需求。顧名思義，它們具有更大的帶隙，因此各種電子設備可以在高電壓、高溫和高頻率下工作。碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 是最近推出的寬帶隙半導體，它們具有更高的功率效率、更小的尺寸和重量以及更低的總體成本的優(yōu)勢。因此，SiC 和 GaN 將取代硅制造的器件，因為它們有一些局限性。

為什么選擇碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）？

SiC 已被證明具有更高的輸出功率應用，這在電動汽車 （EV） 領(lǐng)域非常有用，因此可廣泛用于工業(yè)自動化。GaN 具有更高的開關(guān)頻率和更低的功耗。與硅相比，GaN 具有更高的電子遷移率，這使得電子在通過半導體時能夠快速移動。

寬帶隙材料的性質(zhì)

寬帶隙材料具有 3eV+ 的寬帶隙，因此它成為執(zhí)行高壓操作的重要特性。遷移率和飽和速度適用于場效應晶體管 （FET） 的 2D 通道中的高開關(guān)頻率。SiC 的這些規(guī)范的缺點之一是，在 SiC 接口期間，遷移率降低。在 GaN 中，二維遷移率成為可能，因為它具有高密度的二維電子氣，同時利用其壓電特性進行接口和調(diào)制摻雜。GaN FET具有各種優(yōu)點，例如更高的工作頻率、更好的導熱性、更高的熔點等。

圖1：半導體材料對比分析

寬帶隙技術(shù)的成熟度

WBG 材料的基本特性可以概括為品質(zhì)因數(shù) （FOM）。對 2015 年之后制造的硅超結(jié) MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN FET 等新型半導體器件的研究對于評估器件的成熟度和確定需要改進的領(lǐng)域非常有用。例如，與高壓操作和電阻功率損耗相關(guān)的參數(shù)由 Baliga FOM （B FOM ） 捕獲。這是基于一維靜電的單極器件在通態(tài)電阻奇偶校驗時的歸一化擊穿電壓。B FOM 與載流子遷移率成正比，也與單極器件（例如 MOSFET 和高電子遷移率晶體管 （HEMT））的運行有關(guān)。

寬帶隙 FET

SiC MOSFET 分為兩種結(jié)構(gòu)，即 -

平面

溝

圖 2：平面 （a） 溝槽 （b）

高界面陷阱密度導致低遷移率，這限制了 R ds（on）。R ds（on）是導通電阻，這意味著它是 MOSFET 的漏極和源極之間的電阻。如果R ds（on）的值較小，則表明功率損耗較小。SiC MOSFET的范圍為1.2KV- 6.5KV，擊穿電壓為15kv。R ds（on）對于將 SiC MOSFET 用于應用目的來說太高了，所以如果我們提高溝道遷移率，實際上可以解決問題。

比較硅 （Si） 與碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）的優(yōu)缺點

圖 3：Si、SiC 和 GaN 之間的比較

GaN的局限性

盡管具有各種優(yōu)勢，但在使用 GaN 時也存在一些基于可靠性的限制。一旦 GaN 的制造工藝變得更加先進，這些限制就可以消除。

一些限制包括：-

動態(tài)電阻退化：當GaN處于高開關(guān)操作狀態(tài)時，半導通狀態(tài)是由高漏極電壓和電流引起的，這會影響電路的性能。因此，會發(fā)生負電荷的俘獲。根據(jù)研究，降解是由于表面和緩沖層電荷俘獲的共同作用。

圖 4：與器件 S2 （b） 相比，器件 S1 （a） 的低摻雜碳緩沖區(qū)的厚度要小得多。在 30°C 和 150°C 之間的溫度范圍內(nèi)，測量的 Rds（ON） 作為應力時間的函數(shù)。

pGaN HFET 的閾值電壓不穩(wěn)定性： 這是 pGaN HFET 中的一個嚴重問題。歐姆門的性質(zhì)決定了閾值電壓的不穩(wěn)定性。

SiC和GaN的市場潛力

寬帶隙半導體在行業(yè)中正在迅速增加或擴展，但由于技術(shù)壁壘，它們僅限于利基市場。GaN 器件的年總收入占全球功率半導體市場的 0.1%。根據(jù)未來市場預測，未來5年年增長率將達到35%至75%。大部分收入可以來自低端市場，包括快速充電器、顯示器和數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的消費產(chǎn)品。

WBG Semiconductors 還可用作光伏系統(tǒng)的 SiC 逆變器、GaN 和 SiC 整流器、電動汽車超快速充電器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。GaN 和 SiC 具有增強電力電子性能并獲得比傳統(tǒng)硅器件更有效輸出的潛力?？紤]到 WBG SiC 和 GaN 的局限性，與硅器件相比，還有更多的改進空間，只有在技術(shù)增強后才能實現(xiàn)所需的改進。與傳統(tǒng)的 MOSFET 相比，WBG 材料要經(jīng)濟得多。隨著制造技術(shù)的改進，SiC 和 GaN 基 MOSFET 的限制將一時消除，創(chuàng)造更多優(yōu)勢，WBG 半導體市場將迅速出現(xiàn)增長潛力。

審核編輯：郭婷