GaN和SiC等宽带隙技术的挑战和未来

硅替代品的研究始于上个世纪80年代，当时研究人员和大学已经对几种宽禁带材料进行了实验，显示出在射频、发光、传感器和功率半导体应用中取代现有硅材料技术的潜力很大。在新世纪伊始，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）已经达到了足够的成熟度，并获得了足够的吸引力，将其他潜在的替代品抛在脑后，引起全球工业制造商的足够重视。

在接下来的几年里，重点是研究与材料相关的缺陷，为新材料开发一个定制的设计、工艺和测试基础设施，并建立一个某种程度上可重复的无源（二极管）器件和几个有源器件（MOSFET、HEMT、MESFET、JFET或BJT），这些器件开始进入演示阶段并能够证明宽带隙材料带来的无可争辩的优势。宽带隙材料可以使半导体的工作频率降低10倍，从而使电路的工作频率降低10倍。

对于这两种材料，仍有一些挑战有待解决：

GaN非常适合低功率和中等功率，主要是消费类应用，似乎允许高度的单片集成一个或多个功率开关并与驱动电路共同封装。有可能在在最先进的8-12“混合信号晶圆制造厂制造功率转换IC。然而，由于镓被认为是一种稀有、无毒的金属，在硅生产设施中作为受主可能会产生副作用，因此对许多制造工艺步骤（如干法蚀刻、清洗或高温工艺）的严格分离仍然是一项关键要求。此外，GaN是以MO-CVD外延工艺在SiC等晶格不匹配的载流子上或更大的晶圆直径（通常甚至在硅上）上沉积，这会引起薄膜应力和晶体缺陷，这主要导致器件不稳定，偶尔会导致灾难性的故障。

GaN功率器件是典型的横向HEMT器件，它利用源极和漏极之间固有的二维电子气通道进行导通供电。

另一方面，地壳中含有丰富的硅元素，其中30%是由硅组成的。工业规模的单晶碳化硅锭的生长是一种成熟的、可利用的资源。最近，先驱者已经开始评估8英寸晶圆，有希望在未来五（5）年内，碳化硅制造将扩展到8英寸晶圆制造线。

图1:6“晶圆上的SiC成熟度-半透明SiC基板与成品晶圆的比较

SiC肖特基二极管和SiC MOSFET在市场上的广泛应用为降低高质量衬底、SiC外延和制造工艺的制造成本提供了所需的缩放效应。通过视觉和/或电应力测试消除晶体缺陷，这对较大尺寸芯片的产量有较大的影响。此外，还有一些挑战，归因于低沟道迁移率，这使得SiC fet在100-600V范围内无法与硅FET竞争。

市场领导者已经意识到垂直供应链对于制造GaN和SiC产品的重要性。需要有专业基础的制造能力，包括晶体生长、晶圆和抛光、外延、器件制造和封装专业知识，包括优化的模块和封装，考虑到快速瞬态和热性能或宽带隙器件（WBG）的局限性，考虑最低的成本，最高的产量和可靠性。

随着广泛和有竞争力的产品组合和全球供应链的建立，新的焦点正在转向产品定制，以实现改变游戏规则的应用程序。硅二极管、igbt和超结mosfet的替代品为WBG技术的市场做好了准备。在根据选择性拓扑结构调整电气性能以继续提高功率效率、扩大驱动范围、减少重量、尺寸和组件数量，并在工业、汽车和消费领域实现新颖、突破性的最终应用，还有很多潜力。

图2:PFC和LLC级使用1200V SiC MOSFET的最高效率车载充电器系统，达到最高功率密度和最小重量。

实现循环快速设计的一个关键因素是精确的spice模型，包括热性能和校准封装寄生体，可用于几乎所有流行的模拟器平台，以及快速采样支持、应用说明、定制的SiC和GaN驱动IC以及全球支持基础设施。

接下来的十（10）年将见证另一次历史性的变革，基于GaN和SiC的功率半导体将推动电力电子封装集成和应用的根本性发明。在这一过程中，硅器件将几乎从功率开关节点上消失。尽管如此，他们仍将继续在高度集成的功率集成电路和低电压环境中寻求生存。