宽带隙半导体：GaN 和 SiC 的下一波浪潮

AspenCore 的 2021 年 PowerUP 博览会 用一整天的时间介绍宽带隙 (WBG) 半导体，特别是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。WBG 小组讨论的重点是“下一波 GaN 和 SiC”，从当天的主题演讲中汲取灵感，包括新产品开发、技术挑战和晶圆制造。 

由于尺寸、重量和成本的节省以及更高的效率，GaN 和 SiC 功率器件正在大力推动超越快速充电器和可再生能源，进入数据中心、电机驱动器、电动汽车 (EV) 和其他电子设备领域。移动应用。 

该小组由六位行业专家组成。GaN 市场的小组成员包括EPC首席执行官兼联合创始人 Alex Lidow，他讨论了 GaN 集成技术；Navitas Semiconductor企业营销和投资者关系副总裁 Stephen Olivier研究了 GaN 在电气化中的作用；Kubos Semiconductor的首席执行官 Caroline O'Brien强调了该公司用于 LED 的立方 GaN 技术。 

SiC 小组成员包括UnitedSiC （最近被 Qorvo 收购）的技术开发总监 Pete Losee，他讨论了他的公司通过 750-V 第 4 代产品系列不断扩大的产品组合；Wolfspeed 电源产品营销全球总监 Paul Kierstead介绍了 SiC 在可再生能源电力转换和存储中的作用；和X-trinisic的总裁兼首席技术官 Rob Rhoades，他对 SiC 晶圆制造提供了深刻的见解。 

小组成员的共同主题包括效率和集成，以及在 WBG 半导体的帮助下减少世界对化石燃料的依赖。小组成员还一致认为，即将推出的 200 毫米晶圆将进一步节省成本。 

GaN：效率和碳节省

Kubos 的 O'Brien 以介绍该公司的新材料技术——用于 LED 的立方氮化镓为开场白。下一代照明创新被认为是现有的 LED 技术，但她反驳说 Kubos 的立方 GaN LED 技术可以进一步提高 20% 到 40% 的效率。她说，这意味着在五年内照明和展示方面 的碳足迹和二氧化碳排放量减少了近 7 亿吨 CO 2 。

O'Brien 表示，新的立方 GaN 可以消除绿色和琥珀色光的低效率，并为生产不仅可以更高效而且可以改善显色性和更有效地模拟日光的解决方案提供机会。 

据说绿色和琥珀色 LED 的“绿色差距”或效率下降会降低 RGB 的性能并增加成本和尺寸。她说，使用立方 GaN 技术，消除了量子限制斯塔克效应和电场，在规模和更长波长方面提供了优势，并降低了光谱漂移。 

同样，像 Navitas 这样的 GaN 功率器件制造商也专注于提供支持电气化的技术和器件，从而减少世界对化石燃料的依赖。 

“今天，超过 80% 的电能转化为电力是基于化石燃料的，”Navitas 的 Olivier 说。“我们可以改善这一点并将其从 20% 的可再生能源和电力负载转变为 80% 的方法之一是使用 GaN，这是我们世界电气化的一大推动力。 

“当我们研究 GaN 组件的小尺寸，以及我们如何集成特性和功能并减少传统系统中的组件时，我们的 CO 2足迹可以比硅等效物小 10 倍，”他说。  

“每次我们出货 GaN 功率 IC，我们都会减少 4 kg CO 2。通过使用新技术，这是一个巨大的净收益。我们相信，我们可以在三年内加速全球从内燃机汽车向电动汽车的过渡，并将道路部门的排放量减少 20%，最终实现到 2050 年每年减少 2.6 吉吨的目标。” 

GaN 功率器件制造商一致认为，从分立 GaN 向更高集成度的转变将推动效率的提高。Navitas 和 EPC 都讨论了他们的集成 GaN 产品，这些产品可提供更高的效率、更小的尺寸和更大的功率输出。 

一个例子是 Navitas 的 GaNFast 电源 IC，该 IC 具有采用 GaNSense 技术的集成栅极驱动器，该技术集成了自主感应和保护电路。 

Lidow 表示，GaN 的美妙之处在于将高压、大功率、低压、数字逻辑和其他器件集成在同一芯片上。“GaN 的优势在于它的速度非常快，如果你将驱动器与功率器件放在同一个芯片上，你可以获得比两个不同芯片中更高的速度。您还可以获得电源效率方面的优势。” 

几年前，EPC 推出了全单片功率级，可提供更高的效率和更大的功率输出。它还转化为更小的尺寸、更少的组件和更少的设计时间。 

Lidow 表示，EPC 预计将该技术提升到更高的集成水平，到 2023/2024 年，分立功率器件将开始从 EPC 的工具箱中淡出，取而代之的是具有板载集成功能的器件。“对于 GaN，它是关于未来的集成。” 

EPC 的 100V、65A ePower 芯片组——EPC23101 eGaN IC + EPC2302 eGaN FET——在 1MHz 开关频率下提供 96% 的效率，在 500kHz 开关频率下提供 97% 的效率。（来源：EPC）

SiC：进步和节省 

SiC功率器件的好处是更高的效率和更高的开关频率。这些特性转化为更小的系统设备、更高的功率密度和更低的系统成本。此外，据说更高的开关频率可以减小无源元件的尺寸。 

Wolfspeed 和 UnitedSiC 都讨论了 SiC 市场的显着销量增长及其最新产品介绍。 

Kierstead 讨论的一个关键部分集中在 Wolfspeed 的 SiC 器件上，这些器件正在推动可再生能源电力转换和存储的变革。 

在他看来，Wolfspeed 产品组合的一个关键优势在于，该公司涵盖了从 6 kW 到 22 kW 的充电器侧应用，并已扩展到太阳能储能系统 (ESS) 市场。 

“好处当然是更高的效率，”他说。“我们可以获得更高的开关频率。所有这些都推动了更小、更轻、具有更高效率的系统级设备，并且与功率密度一起，它使我们能够降低系统成本。 

“我们的功率密度提高了大约 50%——同样，更小、更轻、更冷——我们能够展示出大约 18% 的净系统成本效益，”他补充道。 

对于 UnitedSiC，其战略的很大一部分是提供低 R DS( on)。Losee 将部分讨论内容用于其具有 6-mΩ SiC FET 的 750-V Gen 4 产品系列。与 650-V SiC MOSFET 相比，第 4 代 750-V FET 的每单位面积导通电阻低 3 倍。 

Losee 说，这是通过利用具有低压 Si MOSFET 的常“导通”、极低导通电阻 SiC JFET 来 实现每单位面积的最低 R DS( on) 。

该公司对 SiC FET 设计采用了一种略有不同的方法，即使用基于 SiC JFET 的级联技术。与标准 SiC FET 相比，引用的一个关键优势是 JFET 卓越的跨导和良好的 I d sat特性，这使得 UnitedSiC 能够在其标称条件下调整短路性能而不会大幅降低导通电阻。 

UnitedSiC 声称，750V、6mΩ SiC FET 的 R DS(on) 值不到最接近的 SiC MOSFET 竞争对手的一半。（来源：UnitedSiC） 

UnitedSiC 还通过更广泛的选项范围提供更大的设计灵活性 — 在这种情况下，使用 750-V FET 提供从 6 mΩ 到 60 mΩ 的广泛产品组合。 

Losee 说，有了完整的产品组合，设计人员不必在优化他们的系统以提高效率、成本或热管理方面做出重大妥协。 

X-trinsic 的 Rhoades 向上游迈出了一步，讨论了 SiC 晶圆以及将 SiC 单晶圆盘转化为设备就绪晶圆的任务中的工艺顺序（和挑战）。 

SiC 的独特之处在于它是一种极其坚硬的晶体，而且它还具有化学惰性，因此很难通过顺序步骤。 

“你必须在考虑碳化硅特性的情况下重新开发这些工艺，每一步都需要更长的时间，而且可能会更昂贵，”罗德斯说。 

例如，“很多人现在都在使用围绕钾和高锰酸盐配制的浆料，”他说。“这是使 SiC 现在能够以合理数量供应的创新之一，当然，每个人都希望降低成本。” 

Rhoades 注意到拐点出现在 200 毫米处，并过渡到单晶片处理。在 100 毫米到 150 毫米的晶圆尺寸中，传统的工艺顺序涉及晶圆抛光和成型步骤中的批量抛光和批量研磨，当您获得更大的晶圆尺寸时，这些开始显示出几何限制，这意味着您将无法每批获得尽可能多的晶圆，他说。 

他补充说，制造方法有很多创新空间，以推动更高的产量和更低的成本，这将有利于整个行业。

审核编辑 黄昊宇