寬帶隙技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 不斷演變的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)

簡(jiǎn)介

幾乎所有采用電氣控制、通信、電力、驅(qū)動(dòng)和傳感的技術(shù)系統(tǒng)都已實(shí)現(xiàn)了電氣化以及電氣連接。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，硅(Si) 一直是這項(xiàng)技術(shù)的核心元素。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，Si已經(jīng)成為一種用途極為廣泛的半導(dǎo)體。然而，Si在高功率、高頻率、高效率、抗輻射、低噪聲和光電能力等特定領(lǐng)域的應(yīng)用卻受到了限制。第三代半導(dǎo)體，尤其是寬帶隙(WBG) 半導(dǎo)體，提供了優(yōu)于Si的性能優(yōu)勢(shì)，這也證明了有必要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來(lái)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行的半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施和工藝。

圖源：krasyuk/Stock

許多IV類(lèi)、III-V類(lèi)和II-VI類(lèi)化合物半導(dǎo)體材料都具有寬帶隙。這些材料通常用于光子學(xué)、發(fā)光二極管和激光器，只有少數(shù)適用于更廣泛的半導(dǎo)體應(yīng)用。其中，碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN) 是兩種出色的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。雖然金剛石(C) 半導(dǎo)體具有許多吸引人的特性，但生產(chǎn)金剛石半導(dǎo)體的相對(duì)成本一直是其廣泛應(yīng)用的障礙。SiC和GaN正越來(lái)越多地應(yīng)用于高功率、高頻率、高效率和高輻射環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)其他半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)法達(dá)到的性能水平。此外，SiC和GaN技術(shù)的成熟也帶來(lái)了更顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益和更大的晶圓尺寸，從而降低了成本，并將該技術(shù)的適用性擴(kuò)展到許多傳統(tǒng)的硅功率應(yīng)用領(lǐng)域（圖1和圖2）。

圖1：硅 (Si)、碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN)、硅超級(jí)結(jié) (Si SJ) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) / 柵極關(guān)斷 (GTO) 晶閘管器件在功率和頻率方面的比較（圖源：作者）

圖2：截至2022年底，Si、GaN和SiC器件的相對(duì)電壓范圍（圖源：作者）

2023年SiC發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，SiC已然成為了成熟的WBG半導(dǎo)體技術(shù)。最近，SiC在高壓和大功率電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著電動(dòng)汽車(chē)和充電基礎(chǔ)設(shè)施制造商將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向800V電動(dòng)汽車(chē)等系統(tǒng)，這一趨勢(shì)還將持續(xù)下去。SiC在高壓直流輸電 (HVDC)和可再生能源應(yīng)用中也得到了越來(lái)越多的采用，在這些應(yīng)用中，較高的電壓可以實(shí)現(xiàn)較小的導(dǎo)體尺寸和損耗。但由于SiC的成本仍然是同類(lèi)Si技術(shù)的三到四倍，因此一般用于對(duì)高電壓需求高于成本的應(yīng)用中。例如，SiC功率器件的高電壓能力有利于光伏太陽(yáng)能和其他可再生能源應(yīng)用，因此可以在這些應(yīng)用中使用更小更輕的無(wú)源元件，如電感器和變壓器，進(jìn)而可以節(jié)省凈成本或帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

SiC的主要應(yīng)用領(lǐng)域是高壓和高溫場(chǎng)景，如功率因數(shù)校正(PFC) 電路、AC-DC整流器、DC-AC逆變器、電池充電器和數(shù)據(jù)中心的電力電子設(shè)備。有人預(yù)測(cè)，僅用于電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的6英寸SiC晶圓產(chǎn)能將從2021年的125,000片增長(zhǎng)到2030年的400多萬(wàn)片，這種逐年增長(zhǎng)的高需求促使SiC制造能力得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前的目標(biāo)似乎是提高200mm SiC晶圓的產(chǎn)量，但未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)更大尺寸的晶圓，從而進(jìn)一步降低SiC器件的價(jià)格，并為其他應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。

2023年GaN發(fā)展現(xiàn)狀

SiC主要在600V以上的應(yīng)用中獲得了發(fā)展，但在 600V 以下的應(yīng)用中，傳統(tǒng)Si技術(shù)的可行性較低，而GaN技術(shù)正在逐步取代Si技術(shù)。GaN晶體管還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：其電子遷移率是Si和SiC的數(shù)倍。這使得GaN器件可以在更高的頻率下工作。因此，GaN為開(kāi)關(guān)器件和RF技術(shù)提供了在更高頻率和功率水平下的WBG優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，GaN半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率往往不到SiC的一半，因此功率處理能力較低。這也是設(shè)計(jì)人員偏好使用SiC器件來(lái)處理高功率下的極端電壓的原因之一（圖 3）。

目前，有跡象表明，在要求電壓低于400V的應(yīng)用中，GaN功率半導(dǎo)體器件具有明顯的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。在800V以上的應(yīng)用中，SiC功率半導(dǎo)體似乎仍占據(jù)著主要市場(chǎng)。GaN和SiC在400V至800V之間的應(yīng)用中展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，隨著更高電壓GaN技術(shù)的普及，在應(yīng)用市場(chǎng)和電壓范圍上的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)越來(lái)越激烈。隨著2022年末1200V GaN器件的推出，GaN和SiC在高壓領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加劇。2000V以上的功率器件市場(chǎng)相對(duì)較小，但隨著大型工業(yè)系統(tǒng)的電氣化程度不斷提高，以及更多可持續(xù)和可再生技術(shù)被集成到普通電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，該市場(chǎng)可能會(huì)繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)。

圖3：GaN和SiC半導(dǎo)體器件在不同應(yīng)用和電壓下的分布情況（圖源：作者）

目前，SiC襯底和制造成本高于GaN器件，而5kW+系統(tǒng)的最終器件成本在GaN和SiC之間不相上下。不過(guò)，SiC器件的芯片尺寸確實(shí)小于當(dāng)前的GaN工藝。市場(chǎng)上已有可用于1200V和1700V阻斷電壓的SiC器件，更高電壓器件的開(kāi)發(fā)工作正在進(jìn)行中；GaN晶體管的額定電壓為900V，截至到2022年10月，額定電壓已提高為1200V。為演示而開(kāi)發(fā)的GaN器件可達(dá)到1200V，性能與SiC器件相當(dāng)，但可能至少要到2025年才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。一些預(yù)測(cè)顯示，到2025年，1200V GaN MOSFET的成本將低于SiC MOSFET預(yù)期的每安培16美分，因?yàn)镚aN的簡(jiǎn)單性和低成本基板可能會(huì)帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)。

人們一直在努力開(kāi)發(fā)更大尺寸的GaN晶圓，以進(jìn)一步提高GaN的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。GaN的其他發(fā)展涉及開(kāi)發(fā)雙工藝，即在同一晶圓上同時(shí)支持GaN和Si。這樣就可以在與功率電子器件和大功率RF電子器件相同的器件上開(kāi)發(fā)高密度數(shù)字電子器件。

其他WBG半導(dǎo)體

許多研究小組正在尋求開(kāi)發(fā)其他WBG半導(dǎo)體技術(shù)，如氧化鎵(Ga2O3) 和立方氮化硼(C-BN)，這些是極具前途的未來(lái)WBG半導(dǎo)體技術(shù)（表1）。這些材料目前已被用于各種應(yīng)用，但距離商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走。Ga2O3的許多材料特性尚未明確，目前正在研究開(kāi)發(fā)可用于未來(lái)制造的Ga2O3工藝。

以下列表包含部分常見(jiàn)和未來(lái)的WBG半導(dǎo)體材料：

?碳化硅 (SiC)

?氮化鎵(GaN)

?鉆石 (C)

?氮化硼 (BN)

?氧化鋅 (ZnO)

?硒化鋅 (ZnSe)

?硫化鋅 (ZnS)

?碲化鎘鋅 (ZnTe)

?氧化鎵(III) (Ga2O3)/氧化鋁鎵(III) ((Al2Ga)2O3)

?氧化銦 (I2O3)

表 1：WBG技術(shù)的主要規(guī)范（來(lái)源：作者）

BN是一種出色的WBG半導(dǎo)體材料，主要用于光電子和發(fā)光應(yīng)用研究。BN具有間接帶隙，允許p型和n型摻雜，并具有較高的預(yù)測(cè)擊穿場(chǎng)強(qiáng)。它還可能具有較高的電子飽和速度和熱導(dǎo)率，是已知最堅(jiān)硬的材料之一。根據(jù)預(yù)測(cè)和模擬的Baliga和Johnson品質(zhì)因子 (FoM)，BN可能是功率轉(zhuǎn)換和高功率、高頻器件的理想材料。然而，BN的摻雜狀態(tài)和實(shí)際特性仍是未知數(shù)。

結(jié)論

SiC和GaN目前都在大功率和高頻率市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，在其他WBG半導(dǎo)體技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)并投入商用之前，這種情況可能不會(huì)改變。這一過(guò)程通常需要近十年的時(shí)間；因此，在未來(lái)幾年內(nèi)，我們將繼續(xù)看到SiC和GaN在中等功率領(lǐng)域的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)，而SiC器件將繼續(xù)在更高電壓等級(jí)上領(lǐng)先GaN器件。這兩種技術(shù)都比Si貴得多，這一點(diǎn)可能不會(huì)改變，因?yàn)镾iC和GaN的競(jìng)爭(zhēng)范圍往往在Si技術(shù)的邊緣。

作者簡(jiǎn)介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle就讀于羅切斯特理工學(xué)院 (RIT)，并獲得了電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。在學(xué)習(xí)期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學(xué)雜志撰稿，并且是RIT第一個(gè)即興喜劇團(tuán)的成員。在拿到學(xué)位之前，JJ就擔(dān)任了Synaptics公司的集成電路布局和自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)工程師。經(jīng)過(guò)6年開(kāi)發(fā)和鑒定內(nèi)置同軸天線和無(wú)線傳感器技術(shù)的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術(shù)論文并獲得一項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利后離開(kāi)了RIT。為了進(jìn)一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔(dān)任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術(shù)工程編輯。在此期間，JJ學(xué)會(huì)了如何將他的技能與他對(duì)射頻工程和技術(shù)寫(xiě)作的熱情結(jié)合起來(lái)。在JJ職業(yè)生涯的下一個(gè)階段，他看到業(yè)界對(duì)有技術(shù)能力的作家和客觀的行業(yè)專(zhuān)家有很大的需求，于是轉(zhuǎn)而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。隨著這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，JJ擴(kuò)大了自己公司的業(yè)務(wù)范圍和愿景，開(kāi)始從事信息交換服務(wù) (IXS)。