追求更高的性能

意大利血統(tǒng)讓我不僅熱愛意大利美食，就連汽車也是喜歡法拉利SF90 Stradale比雷克薩斯ES300多一些。SF是Scuderia Ferrari的縮寫，90表示成立90周年，因此可以看出這是一款為慶祝法拉利車隊(duì)成立90周年推出的公路跑車。SF90 Stradale是首款采用插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）架構(gòu)的法拉利跑車，其內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)集成了三臺(tái)電動(dòng)機(jī)。盡管法拉利的混合動(dòng)力汽車被譽(yù)為高性能的工程藝術(shù)品，但這款新的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車更是具備超凡極致的表現(xiàn)（車輛僅在2.5秒內(nèi)可達(dá)0-100公里/小時(shí)速度），創(chuàng)下了法拉利最新記錄。

卓越的性能

與SF90一樣，超寬禁帶 (UWBG) 半導(dǎo)體具有許多卓越的性能，它的出現(xiàn)為許多領(lǐng)域開辟了新的機(jī)遇。UWBG禁帶比硅（Si，禁帶寬度1.1eV）、寬禁帶半導(dǎo)體（如GaN，禁帶寬度3.4eV）和碳化硅（SiC，禁帶寬度3.3eV）都要寬得多。其中，氧化鎵 (Ga2O3)、立方氮化硼 (C-BN)、氮化鋁鎵 (AlGaN) 等材料是UWBG的典型代表。本文將對(duì)這些UWBG半導(dǎo)體材料及其在電子設(shè)計(jì)中的潛在應(yīng)用進(jìn)行介紹。本文中的UWBG是指禁帶寬度≥4eV的半導(dǎo)體材料。

WBG

在了解UWBG半導(dǎo)體之前，我們先回顧一下WBG半導(dǎo)體有別于傳統(tǒng)硅器件的地方。WBG半導(dǎo)體與同等的硅器件相比更小、更快、更高效。WBG器件能在極具挑戰(zhàn)性的操作條件下提供極高的可靠性。在電力電子領(lǐng)域，WBG與Si相比具有如下特性：損耗低、效率高、開關(guān)頻率高、設(shè)計(jì)緊湊、耐高溫、在惡劣環(huán)境下的仍能穩(wěn)定工作，以及高擊穿電壓等特性。此外，WBG的應(yīng)用范圍十分廣泛，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源等工業(yè)應(yīng)用，到混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車 (HEV/EV)、光伏 (PV) 逆變器、鐵路和風(fēng)力渦輪機(jī)等汽車和運(yùn)輸系統(tǒng)都有所涉及。WBG產(chǎn)品供應(yīng)商有：

GaN Systems

Infineon Technologies

ON Semiconductor

Qorvo

ROHM Semiconductor

STMicroelectronics

Wolfspeed/Cree

UWBG半導(dǎo)體材料

氮化鋁鎵 (AlGaN)

GaN是WBG半導(dǎo)體材料的典型代表。當(dāng)鋁與氮化鎵產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，就產(chǎn)生了AlGaN這種UWBG半導(dǎo)體材料，它的禁帶寬度通常在3.4eV-6.2eV的范圍內(nèi)。AlGaN可以支持波長約為220nm-450nm的光，因此常被用于制造發(fā)光二極管 (LED) 和激光二極管。此外，它還可用于紫外探測器和高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

氮化鋁 (AlN)

Al與氧化氮（也稱為氮化物）經(jīng)過化合反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生氮化鋁 (AlN)。與AlGaN一樣，AlN也常被用于光電產(chǎn)品，比如紫外線 (UV) LED燈。AlN禁帶寬度為6.1eV，導(dǎo)熱性優(yōu)，化學(xué)穩(wěn)定性好，并具有高工作頻率和高功率等特性。

立方氮化硼 (C-BN)

硼和氮經(jīng)過化合反應(yīng)可以生成氮化硼，立方氮化硼 (C-BN) 即為其中一種。C-BN的禁帶寬度為6.4eV。這種化合物的獨(dú)特之處在于，它與禁帶寬度為5.5 eV的金剛石、純碳具有相似的性質(zhì)。金剛石是自然界中最堅(jiān)硬的材料， C-BN不像金剛石那么硬，但它能提供更高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

氧化鎵 (Ga2O3)

Ga2O3禁帶寬度為4.9eV，它是一種無機(jī)化合物，可以說是鎵的氧化物（見表1），主要用于光電應(yīng)用。這種材料可以在室溫下進(jìn)行摻雜，在多個(gè)領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢。科學(xué)家們正在探索利用熔體生長制造大塊單晶的低成本、大直徑晶片的可能性。

表1：幾種UWBG材料的禁帶寬度對(duì)比（來源：作者）

對(duì)電力電子設(shè)備的影響

WBG半導(dǎo)體在各種應(yīng)用中均實(shí)現(xiàn)了更有效、緊湊的功率轉(zhuǎn)換，并且具有較低的歐姆損耗。探索UWBG半導(dǎo)體材料的動(dòng)機(jī)是希望大幅提升功率密度，類似于從Si到WBG元件的轉(zhuǎn)變。UWBG半導(dǎo)體還擁有在不引發(fā)熱擊穿或可靠性問題的情況下切換大電壓的潛力，例如，AlGaN的Ron值可能比GaN低10倍。UWBG還具有：

高頻、高效率

低歐姆損耗

較少的元件數(shù)

高可靠性

品質(zhì)因數(shù)

工程師采用品質(zhì)因數(shù) (FOM) 來表示轉(zhuǎn)換器功率密度（即每單位體積處理的功率量）的高低。我們通常使用下面兩個(gè)基本FOM來表征半導(dǎo)體材料與功率密度的關(guān)系：

vUFOM：(?μnEc3)/4

HM-FOM：Ecμn1/2

UFOM公式是由關(guān)態(tài)、高斯定律和開態(tài)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系導(dǎo)出的。其中，我們需要特別關(guān)注的是臨界電場EC，GaN的EC介于4和5之間，而 AlN的EC則約為13。

Si的相對(duì)FOM為1。將GaN和AlN的Ec值代入上述FOM公式， 即可看到AlN以及相關(guān)UWBG半導(dǎo)體材料擁有非常高的FOM值，據(jù)此可以預(yù)測出UWBG將讓高密度電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用迎來廣闊的發(fā)展前景（表2）。目前設(shè)計(jì)人員正在對(duì)兩終端器件進(jìn)行評(píng)估，包括PiN、肖特基勢壘 (SBD)、結(jié)勢壘肖特基 (JBS) 及混合PiN/Schottky (MPS) 二極管，以試圖開發(fā)出可行的元件。

表2：品質(zhì)因數(shù) (FOM) 值（來源：Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE）

UWBG的優(yōu)勢

在中頻（1kHz到1MHz）、高壓時(shí)，UWBG與WBG相比優(yōu)勢較為突出。但在低頻和高頻時(shí)由于存在其他影響性能的因素，這種優(yōu)勢就不那么明顯了。

與WBG材料相比，UWBG具有更高的擊穿電壓和禁帶。漂移區(qū)越厚的UWBG半導(dǎo)體器件，擊穿電壓就越高。AlGaN器件中較高的鋁含量也會(huì)導(dǎo)致高擊穿電壓。然而，這有一個(gè)缺點(diǎn)， 因?yàn)殇X含量高不僅會(huì)提高電子遷移率，還會(huì)提高熱導(dǎo)率。增大臨界電場 (Ec) 有可能會(huì)增加擊穿電壓值 (VB)。理論上可以設(shè)想用AlN制作擊穿電壓為1 x 105的元件。

UWBG還為射頻設(shè)備帶來了優(yōu)勢。鋁含量高的AlGaN由于具有較高的臨界電場 (Ec)，因此具有較高的Johnson品質(zhì)因數(shù) ((J-FOM)。臨界電場與禁帶的這種關(guān)聯(lián)可以優(yōu)化FOM，從而為超越現(xiàn)有電力電子的邊界提供了巨大的潛力。

潛力深不可測

目前研究人員正在對(duì)基礎(chǔ)材料進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以便更高效地制造大塊和外延UWBG半導(dǎo)體。此外，也在尋找優(yōu)化摻雜工藝和表征材料的同時(shí)，減少潛在缺陷的絕佳方法，尤其是隨著鋁含量的增加，p型材料摻雜也越趨復(fù)雜。

鋁含量高的合金不適合進(jìn)行空穴熱激活。物理學(xué)家們正在積極利用半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性和電擊穿現(xiàn)象帶來的全新挑戰(zhàn)，并取得了一些可觀的進(jìn)展。合適的邊緣終端可以防止過早擊穿，因此工程師們都在積極評(píng)估各種邊緣終端方案，同時(shí)也在收集可以證明UWBG半導(dǎo)體材料優(yōu)勢的應(yīng)用信息。

結(jié)論

UWBG代表了下一代超高性能的高功率電子產(chǎn)品。在了解它們?cè)谖磥黼娮釉O(shè)計(jì)中的潛在優(yōu)勢和應(yīng)用時(shí)，我們可以肯定，創(chuàng)新將繼續(xù)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，以幫助設(shè)計(jì)師超越當(dāng)前限制并實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展。隨著科學(xué)家和設(shè)計(jì)師不斷改進(jìn)工藝，最終有望在設(shè)計(jì)中可以展現(xiàn)UWBG半導(dǎo)體的優(yōu)越性。

審核編輯：郭婷