碳化硅和氮化镓——第三代半导体材料双雄

转自：世纪金光半导体 2020年6月6日

         第三代半导体

         全球有40%的能量作为电能被消耗, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗就成为一个关键的技术难题。伴随着第三代半导体电力电子器件的诞生，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的新型半导体材料走入了我们的视野，并在近些年中逐步得以应用。

SiC和GaN被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带扩散到导带需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量为1.1eV，氮化硅(SiC)则需3.3eV，氮化镓(GaN)则需3.4eV. 这就带来了更高的击穿电压，在某些应用中可高到1200-1700V。通过合适的生产工艺，WBG展现出以下优点：

 01极低的内部电阻

与同类硅器件相比，效率可提高70%

02 更高的功率密度

低电阻可改善热性能(最高工作温度增加了)和散热，并可获得更高的功率密度

 03 减积减重

散热得到优化，与同类硅器件相比，就可以采用更简单的封装、尺寸和重量也大大减少

04 极短的关断时间

极短的关断时间(GaN器件接近于零)能够工作于非常高的开关频率，而且工作温度也更低

         传统的电力电子设备使用的各类器件都可以用WBG器件代替。而传统的硅器件在许多应用领域都达到了极限。显然，WBG技术是未来电力电子的根基，将为各种领域的创新应用奠定基础。

         PART 01  SiC和GaN的区别

         不同的应用所需的功率和频率性能不同，无论硅器件还是新型WBG器件，每种类型的器件都有其用武之地。

         尽管在概念层面上有相似之处，但SiC和GaN器件彼此不可互换，二者因系统的工作要求和使用参数不同而有很大差别。

         尤其需要指出，SiC器件能承受更高的电压，高达1200伏及以上，而GaN器件则能承受的电压和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的关断时间几乎为零(由于具有高电子迁移率，其dV/dt电压大于100V/s，而MOSFET硅器件仅50V/s)，特别适用于非常高频的应用，可达到极高的能效和性能。但这些理想的特性也会给应用带来麻烦：如果器件的寄生电容不接近于零，就会产生数十安培的电流尖峰，而在电磁兼容测试阶段出现问题。

         由于可以采用TO-247和 TO-220封装，SiC能够在封装方面发挥更多优势，因为这两种封装可以让新的SiC器件快速替换IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封装(更轻、更小但还比较新)的GaN则能提供更优性能。

         另一方面，这两种器件面临的共同挑战都与栅极驱动器的设计与构造有关。栅极驱动器应当能够充分利用特定的分量特征，同时又要关注寄生分量(必须最小化以避免性能降低)和适当的电压水平(希望类似于驱动传统硅器件的电压水平)。

         就成本而言，SiC器件现在更便宜，也更普及，因为它们是在GaN之前出现的。然而，不难想象，成本一方面与生产工艺有关，同时也跟市场需求有关，因此市场价格会趋于平稳。

         由于GaN衬底的生产成本较高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅为衬底。最近，瑞典林克平大学(University of Linkóping)与其剥离公司SweGaN合作进行了一些研究，按照SiC衬底和新的晶圆生长工艺(称为跨晶异质外延，可防止出现结构缺陷)的想法，获得了可与SiC器件相媲美的最大电压，但工作频率可以达到硅基GaN的水平。这项研究还表明，采用这一机制能够改善热管理、获得3kV以上的垂直击穿电压，以及比目前解决方案小一个数量级的通态阻抗等性能。

         PART 02  应用和市场

         WBG器件的应用领域仍然是一个小众市场，研发人员仍然需要更好地了解如何最大限度地发挥其潜力。其最大的新技术市场是二极管市场，但WBG预计将在未来5年内充斥晶体管市场。

         潜在应用已在酝酿之中。据预测，电动车、电信网络和消费电子市场是最合适的目标市场。

         根据销售预测，最有利可图的市场将是涉及电动车和自动驾驶汽车的市场，其中WBG器件将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(LiDAR)。鉴于这类器件的热特性和能率，可以很好地满足蓄能器性能优化的要求，人们自然会作出这种预测。

         在电信方面，5G将成为WBG的驱动力。待安装的数百万个基站将需要更高的能效，并且尺寸将变得更小巧轻便，以显著提高性能并降低成本。

         消费电子市场也将大量采用这类新型器件。移动设备的日益普及和快速充电需求将驱动无线供电和充电设备对新型器件的需求。

         PART 03  未来值得期待

或许人们还需要等待一段时间才能感受到WBG器件的惊人潜力，但其应用场景正在演变，制造商亦开始提供可靠的解决方案。可以确信的是：WBG器件作为一种新型工具解决了功率器件设计师在这个以“效率”为口号的时代所面临的问题，这将直接给市场带来巨大冲击。

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