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GaN和SiC基功率半導體的寬帶隙技術

454398 ? 來源:powerelectronicsnews ? 作者:powerelectronicsnews ? 2021-04-01 14:10 ? 次閱讀

尋找硅替代物的研究始于上個世紀的最后二十年,當時研究人員和大學已經對幾種寬帶隙材料進行了試驗,這些材料顯示出替代射頻,發光,傳感器和功率半導體的現有硅材料技術的巨大潛力。應用程序。在新世紀即將來臨之際,氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)達到了足夠的成熟度并獲得了足夠的吸引力,從而留下了其他潛在的替代品,從而引起了全球工業制造商的足夠關注。

在接下來的幾年中,重點是調查與材料有關的缺陷,為新材料開發定制的設計,工藝和測試基礎架構,并建立某種可重現的無源(二極管)器件和幾種有源器件(MosFET,HEMT,MesFET,JFET)或BJT)開始進入演示板,并能夠證明寬帶隙材料帶來的無可爭議的優勢。關于功率半導體,這些包括工作溫度范圍的擴展,電流密度的增加以及開關損耗的多達十倍的降低,從而允許在明顯更高的頻率下連續運行,從而減小了系統的重量和最終應用的尺寸。

對于這兩種材料,仍然需要解決一些獨特的挑戰:

GaN非常適合中小型功率(主要是消費類應用),似乎可以實現高度的單片集成,其中一個或多個功率開關與驅動器電路共同封裝,有可能在單片芯片上創建功率轉換IC ,由最先進的8-12英寸混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此,由于鎵被認為是一種稀有的,無毒的金屬,在硅生產設施中可能會作為無意的受主而產生副作用,因此嚴格分隔許多制造工藝步驟(如干法蝕刻,清潔或高溫工藝)仍然是至關重要的要求。此外,在MO-CVD外延工藝中,GaN沉積在晶格不匹配的載體(如SiC)上,或者沉積在較大的晶片直徑上(通常甚至沉積在硅上),這可以減輕膜應力和晶體缺陷,

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件,其利用了源極和漏極之間的固有二維電子氣通道,該通道由肖特基類型的金屬進行選通。

另一方面,SiC由硅和石墨的豐富成分組成,它們共同構成了地殼的近30%。工業規模的單晶SiC錠的生長是6英寸的成熟且廣泛可用的資源。早期行動者最近開始評估8英寸晶圓,并且希望在未來五(5)年內,SiC制造將擴展到8英寸晶圓生產線。

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圖1:6英寸晶圓上的碳化硅成熟度–半透明碳化硅襯底與成品晶圓的比較

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET在市場上的廣泛采用提供了所需的縮放效果,以降低高質量襯底,SiC外延和制造工藝的制造成本。晶體缺陷(通過視覺和/或電應力測試消除)極大地影響了較大尺寸芯片的良率。此外,由于溝道遷移率低,還存在一些挑戰,這些挑戰使SiC FET在100V至600V的電壓范圍內無法與Silicon FET競爭。

市場領導者已經意識到垂直供應鏈對制造GaN和SiC產品的重要性。在單一屋頂下建立制造能力,其中包括晶體生長,晶片和拋光,外延,器件制造和封裝專業知識,包括優化的模塊和封裝,其中考慮了快速瞬變和熱功能或寬帶隙器件(WBG)的局限性允許最低的成本,最高的產量和可靠性。

憑借廣泛而具有競爭力的產品組合和全球供應鏈,新的重點正在轉向產品定制以實現改變游戲規則的應用程序。硅二極管,IGBT和超結MOSFET的直接替代品已經為WBG技術市場做好了準備。在針對特定拓撲調整電氣性能以繼續提高功率效率,擴大驅動范圍,減少重量,尺寸和組件數量,以及在工業,汽車和消費領域實現新穎,突破性的最終應用方面,還有更多的潛力。

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圖2:在PFC和LLC階段均使用1200V SiC MOSFET的最高效率車載充電器系統,可實現最高的功率密度和最低的重量。通過https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap提供了參考設計

實現快速設計周期的關鍵要素是精確的香料模型,其中包括熱性能和校準的封裝寄生特性,幾乎可用于所有流行的仿真器平臺,以及快速采樣支持,應用筆記,定制的SiC和GaN驅動器IC以及全球范圍的支持基礎結構。

未來的十(10)年將見證另一場歷史性的變革,其中GaN和SiC基功率半導體將推動功率電子封裝集成和應用領域的根本性發明。在此過程中,硅器件將幾乎從電源開關節點中消除。盡管如此,他們將繼續在高度集成的功率IC和較低電壓范圍中尋求庇護。

慕尼黑安森美半導體公司的Thomas Neyer和Mehrdad Baghaie

編輯:hfy

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