GaN和SiC的技術(shù)挑戰(zhàn)

每個世紀在人類努力的各個領(lǐng)域都有其重大發(fā)明。對于電力電子而言，21世紀正在加速發(fā)現(xiàn)寬帶隙。在過去的二十年里，研究人員和大學(xué)已經(jīng)對幾種寬帶隙材料進行了試驗，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，重點是調(diào)查與材料相關(guān)的缺陷；為新產(chǎn)品開發(fā)定制的設(shè)計、流程和測試基礎(chǔ)設(shè)施；并建立一個可重現(xiàn)的無源（二極管）設(shè)備和幾個有源設(shè)備。（MosFET、HEMT、MesFET、JFET 或 BJT）等器件開始進入演示板，并展示了寬帶隙 (WBG) 材料帶來的無可爭辯的優(yōu)勢。關(guān)于功率半導(dǎo)體，這些包括工作溫度范圍的擴展、電流密度的增加以及高達十倍的開關(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。對于這兩種材料，仍然存在一些獨特的工程挑戰(zhàn)：

GaN 非常適合中低功率應(yīng)用，主要是消費類應(yīng)用。它允許在有一個或多個電源開關(guān)的情況下實現(xiàn)高度的單片集成。與驅(qū)動電路共同封裝，具有在最先進的 8–12 英寸混合信號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。鎵被認為是一種稀有、無毒的金屬，可能會在硅生產(chǎn)設(shè)施中作為無意的受體產(chǎn)生副作用，因此對于許多制造工藝步驟（如干法蝕刻、清潔或高溫工藝）來說，鎵是嚴格分離的，仍然是一項關(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 錠的增長為 6 英寸提供了成熟且廣泛可用的資源。最近，先行者開始評估 8 英寸晶圓，希望在未來五年內(nèi)，SiC 制造將擴展到 8 英寸晶圓制造線。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場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。通過視覺和/或電應(yīng)力測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)無法與硅 FET 競爭。

市場領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識到垂直供應(yīng)鏈對制造 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、晶圓和拋光、外延、器件制造和封裝專業(yè)知識。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)，從而實現(xiàn)低成本以及高良率和可靠性。

憑借廣泛且具有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制，以實現(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)的市場做好了準備。為選擇性拓撲定制電氣性能以繼續(xù)提高電源效率有很大的潛力；擴大行駛里程；減少重量、尺寸和組件數(shù)量；并在工業(yè)、汽車和消費領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新穎、突破性的終端應(yīng)用。

實現(xiàn)快速設(shè)計周期的一個關(guān)鍵因素是準確的 spice 模型，其中包括熱性能和校準的封裝寄生參數(shù)。這適用于幾乎所有流行的模擬器平臺）以及快速采樣支持、應(yīng)用說明、定制的 SiC 和 GaN 驅(qū)動器 IC 以及全球支持基礎(chǔ)設(shè)施。

未來十年將見證另一次歷史性變革，基于 GaN 和 SiC 的功率半導(dǎo)體將推動電力電子封裝集成和應(yīng)用領(lǐng)域的激進發(fā)明。在這個過程中，硅器件將幾乎從電源開關(guān)節(jié)點上消失。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。

審核編輯：湯梓紅