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GaN和SiC等寬帶隙技術(shù)的挑戰(zhàn)

王平 ? 來源:uvysdfydad ? 作者:uvysdfydad ? 2022-08-05 11:58 ? 次閱讀

對(duì)硅替代品的探索始于上個(gè)世紀(jì)的最后二十年,當(dāng)時(shí)研究人員和大學(xué)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)體等領(lǐng)域替代現(xiàn)有硅材料技術(shù)的巨大潛力應(yīng)用程序。在新世紀(jì)之初,氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已達(dá)到足夠的成熟度并獲得足夠的吸引力,從而將其他潛在替代品拋在腦后,從而得到全球工業(yè)制造商的足夠重視。

在接下來的幾年里,重點(diǎn)是研究與材料相關(guān)的缺陷,為新材料開發(fā)定制的設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施,并建立一個(gè)可復(fù)制的無源(二極管)器件和幾個(gè)有源器件(MosFET、HEMT、MesFET、JFET)或 BJT),它們開始進(jìn)入演示板,并能夠展示寬帶隙材料帶來的無可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)。就功率半導(dǎo)體而言,這些包括工作溫度范圍的擴(kuò)展、電流密度的增加以及開關(guān)損耗降低多達(dá)十倍,從而允許在顯著更高的頻率下連續(xù)工作,從而降低系統(tǒng)重量和最終應(yīng)用的尺寸。

對(duì)于這兩種材料,仍有一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)有待解決:

GaN 非常適合中低功率,主要是消費(fèi)類應(yīng)用,似乎允許高度單片集成,其中一個(gè)或多個(gè)電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路共同封裝,有可能在單片芯片上創(chuàng)建功率轉(zhuǎn)換 IC , 在最先進(jìn)的 8-12” 混合信號(hào)晶圓制造廠制造。盡管如此,由于鎵被認(rèn)為是一種稀有、無毒的金屬,作為硅生產(chǎn)設(shè)施中的無意受體可能會(huì)產(chǎn)生副作用,因此對(duì)許多制造工藝步驟(如干蝕刻、清潔或高溫工藝)進(jìn)行嚴(yán)格分離仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。此外,GaN 在 MO-CVD 外延工藝中沉積在晶格失配的載體上,如 SiC 或更大的晶圓直徑,通常甚至在硅上,這會(huì)引起薄膜應(yīng)力和晶體缺陷,

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,它們加起來占地殼的近 30%。工業(yè)規(guī)模的單晶 SiC 錠的生長(zhǎng)是 6'' 中成熟且廣泛可用的資源。先驅(qū)者最近開始評(píng)估 8 英寸晶圓,并希望在未來五 (5) 年內(nèi),碳化硅制造將擴(kuò)展到 8 英寸晶圓生產(chǎn)線。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場(chǎng)采用正在提供所需的縮放效果,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(cè)試消除的晶體缺陷極大地影響了較大芯片尺寸的良率。此外,由于溝道遷移率低,存在一些挑戰(zhàn),這使 SiC FET 在 100 – 600V 范圍內(nèi)無法與硅 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)于制造 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、器件制造和封裝專業(yè)知識(shí),包括優(yōu)化的模塊和封裝,其中考慮了寬帶隙器件 (WBG) 的快速瞬變和熱能力或限制, 允許最低的成本和最高的產(chǎn)量和可靠性。

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 和超級(jí)結(jié) MOSFET 的直接替代品已經(jīng)為 WBG 技術(shù)市場(chǎng)做好了準(zhǔn)備。在為選擇性拓?fù)涠ㄖ?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/2364/" target="_blank">電氣性能以繼續(xù)提高功率效率、擴(kuò)大行駛范圍、減少重量、尺寸和組件數(shù)量以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)、汽車和消費(fèi)領(lǐng)域的新型突破性終端應(yīng)用方面,還有更多潛力。

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圖 :最高效率的車載充電器系統(tǒng)在 PFC 和 LLC 階段均使用 1200V SiC MOSFET,達(dá)到最高功率密度和最低重量。通過提供的參考設(shè)計(jì)

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),幾乎可用于所有流行的模擬器平臺(tái),以及快速采樣支持、應(yīng)用筆記、定制的 SiC 和 GaN 驅(qū)動(dòng)器 IC 和世界- 廣泛的支持基礎(chǔ)設(shè)施。

即將到來的十 (10) 年將見證另一場(chǎng)歷史性變革,其中基于 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。在此過程中,硅器件將幾乎從電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)中消失。盡管如此,他們?nèi)詫⒗^續(xù)在高度集成的電源 IC 和較低電壓范圍內(nèi)尋求庇護(hù)。

審核編輯:湯梓紅

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