GaN和SiC的技术挑战

每个世纪在人类努力的各个领域都有其重大发明。对于电力电子而言，21世纪正在加速发现宽带隙。在过去的二十年里，研究人员和大学已经对几种宽带隙材料进行了试验，这些材料显示出在射频、发光、传感器和功率半导体应用中替代现有硅材料技术的巨大潜力。新世纪之初，氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已经足够成熟，并获得足够的牵引力，将其他潜在的替代品抛在身后，并得到全球工业制造商的充分关注。

最近，重点是调查与材料相关的缺陷；为新产品开发定制的设计、流程和测试基础设施；并建立一个可重现的无源（二极管）设备和几个有源设备。（MosFET、HEMT、MesFET、JFET 或 BJT）等器件开始进入演示板，并展示了宽带隙 (WBG) 材料带来的无可争辩的优势。关于功率半导体，这些包括工作温度范围的扩展、电流密度的增加以及高达十倍的开关损耗降低，从而允许在显着更高的频率下连续工作，从而减少系统重量和最终应用的尺寸。对于这两种材料，仍然存在一些独特的工程挑战：

GaN 非常适合中低功率应用，主要是消费类应用。它允许在有一个或多个电源开关的情况下实现高度的单片集成。与驱动电路共同封装，具有在最先进的 8–12 英寸混合信号晶圆制造厂制造的单片芯片上创建电源转换 IC 的潜力。镓被认为是一种稀有、无毒的金属，可能会在硅生产设施中作为无意的受体产生副作用，因此对于许多制造工艺步骤（如干法蚀刻、清洁或高温工艺）来说，镓是严格分离的，仍然是一项关键要求。

此外，GaN 是在 MO-CVD 外延工艺中沉积在晶格不匹配的载体（如 SiC）上或更大的晶圆直径上，通常甚至在硅上，这会引发薄膜应力和晶体缺陷，这主要导致器件不稳定，偶尔会导致灾难性故障.

GaN 功率器件通常是横向 HEMT 器件，它利用源极和漏极之间的固有二维电子气通道，由肖特基型金属门控。

另一方面，碳化硅由丰富的硅和石墨成分组成，它们共同构成了近 30% 的地壳。工业规模的单晶 SiC 锭的增长为 6 英寸提供了成熟且广泛可用的资源。最近，先行者开始评估 8 英寸晶圆，希望在未来五年内，SiC 制造将扩展到 8 英寸晶圆制造线。

SiC 肖特基二极管和 SiC MOSFET 的广泛市场采用提供了所需的缩放效应，以降低高质量衬底、SiC 外延和制造工艺的制造成本。通过视觉和/或电应力测试消除的晶体缺陷极大地影响了较大芯片尺寸的产量。此外，由于沟道迁移率低，还存在一些挑战，这使得 SiC FET 在 100-600 V 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制造 GaN 和 SiC 产品的重要性。在单一屋檐下建立制造能力，包括晶体生长、晶圆和抛光、外延、器件制造和封装专业知识。它还包括优化的模块和封装，将快速瞬态和热能力或宽带隙 (WBG) 器件的限制考虑在内，从而实现低成本以及高良率和可靠性。

凭借广泛且具有竞争力的产品组合和全球供应链，新的重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 替代品为 WBG 技术的市场做好了准备。为选择性拓扑定制电气性能以继续提高电源效率有很大的潜力；扩大行驶里程；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、突破性的终端应用。

实现快速设计周期的一个关键因素是准确的 spice 模型，其中包括热性能和校准的封装寄生参数。这适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 驱动器 IC 以及全球支持基础设施。

未来十年将见证另一次历史性变革，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领域的激进发明。在这个过程中，硅器件将几乎从电源开关节点上消失。尽管如此，他们仍将继续在高度集成的电源 IC 和较低电压的体制中寻求庇护。

审核编辑：汤梓红