碳化硅和氮化鎵，一文帶你認(rèn)識(shí)第三代半導(dǎo)體材料雙雄
全球有40%的能量作為電能被消耗, 而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。我國(guó)作為世界能源消費(fèi)大國(guó), 如何在功率電子方面減小能源消耗就成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。伴隨著第三代半導(dǎo)體電力電子器件的誕生，以碳化硅(Sic)和氮化鎵(GaN)為代表的新型半導(dǎo)體材料走入了我們的視野，并在近些年中逐步得以應(yīng)用。
SiC和GaN被稱(chēng)為“寬帶隙半導(dǎo)體”(WBG)，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶擴(kuò)散到導(dǎo)帶需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量為1.1eV，氮化硅(SiC)則需3.3eV，氮化鎵(GaN)則需3.4eV. 這就帶來(lái)了更高的擊穿電壓，在某些應(yīng)用中可高到1200-1700V。通過(guò)合適的生產(chǎn)工藝，WBG展現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：
01極低的內(nèi)部電阻
與同類(lèi)硅器件相比，效率可提高70%
02 更高的功率密度
低電阻可改善熱性能(最高工作溫度增加了)和散熱，并可獲得更高的功率密度
03 減積減重
散熱得到優(yōu)化，與同類(lèi)硅器件相比，就可以采用更簡(jiǎn)單的封裝、尺寸和重量也大大減少
04 極短的關(guān)斷時(shí)間
極短的關(guān)斷時(shí)間(GaN器件接近于零)能夠工作于非常高的開(kāi)關(guān)頻率，而且工作溫度也更低
傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備使用的各類(lèi)器件都可以用WBG器件代替。而傳統(tǒng)的硅器件在許多應(yīng)用領(lǐng)域都達(dá)到了極限。顯然，WBG技術(shù)是未來(lái)電力電子的根基，將為各種領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
PART 01
SiC和GaN的區(qū)別
不同的應(yīng)用所需的功率和頻率性能不同，無(wú)論硅器件還是新型WBG器件，每種類(lèi)型的器件都有其用武之地。
盡管在概念層面上有相似之處，但SiC和GaN器件彼此不可互換，二者因系統(tǒng)的工作要求和使用參數(shù)不同而有很大差別。
尤其需要指出，SiC器件能承受更高的電壓，高達(dá)1200伏及以上，而GaN器件則能承受的電壓和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的關(guān)斷時(shí)間幾乎為零(由于具有高電子遷移率，其dV/dt電壓大于100V/s，而MOSFET硅器件僅50V/s)，特別適用于非常高頻的應(yīng)用，可達(dá)到極高的能效和性能。但這些理想的特性也會(huì)給應(yīng)用帶來(lái)麻煩：如果器件的寄生電容不接近于零，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)十安培的電流尖峰，而在電磁兼容測(cè)試階段出現(xiàn)問(wèn)題。
由于可以采用TO-247和 TO-220封裝，SiC能夠在封裝方面發(fā)揮更多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@兩種封裝可以讓新的SiC器件快速替換IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封裝(更輕、更小但還比較新)的GaN則能提供更優(yōu)性能。
另一方面，這兩種器件面臨的共同挑戰(zhàn)都與柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造有關(guān)。柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)能夠充分利用特定的分量特征，同時(shí)又要關(guān)注寄生分量(必須最小化以避免性能降低)和適當(dāng)?shù)碾妷核?希望類(lèi)似于驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)硅器件的電壓水平)。
就成本而言，SiC器件現(xiàn)在更便宜，也更普及，因?yàn)樗鼈兪窃贕aN之前出現(xiàn)的。然而，不難想象，成本一方面與生產(chǎn)工藝有關(guān)，同時(shí)也跟市場(chǎng)需求有關(guān)，因此市場(chǎng)價(jià)格會(huì)趨于平穩(wěn)。
由于GaN襯底的生產(chǎn)成本較高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅為襯底。最近，瑞典林克平大學(xué)(University of Linkóping)與其剝離公司SweGaN合作進(jìn)行了一些研究，按照SiC襯底和新的晶圓生長(zhǎng)工藝(稱(chēng)為跨晶異質(zhì)外延，可防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷)的想法，獲得了可與SiC器件相媲美的最大電壓，但工作頻率可以達(dá)到硅基GaN的水平。這項(xiàng)研究還表明，采用這一機(jī)制能夠改善熱管理、獲得3kV以上的垂直擊穿電壓，以及比目前解決方案小一個(gè)數(shù)量級(jí)的通態(tài)阻抗等性能。
PART 02
應(yīng)用和市場(chǎng)
WBG器件的應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一個(gè)小眾市場(chǎng)，研發(fā)人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發(fā)揮其潛力。其最大的新技術(shù)市場(chǎng)是二極管市場(chǎng)，但WBG預(yù)計(jì)將在未來(lái)5年內(nèi)充斥晶體管市場(chǎng)。
潛在應(yīng)用已在醞釀之中。據(jù)預(yù)測(cè)，電動(dòng)車(chē)、電信網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子市場(chǎng)是最合適的目標(biāo)市場(chǎng)。
根據(jù)銷(xiāo)售預(yù)測(cè)，最有利可圖的市場(chǎng)將是涉及電動(dòng)車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的市場(chǎng)，其中WBG器件將用于逆變器、車(chē)載充電設(shè)備(OBC)和防撞系統(tǒng)(LiDAR)。鑒于這類(lèi)器件的熱特性和能率，可以很好地滿(mǎn)足蓄能器性能優(yōu)化的要求，人們自然會(huì)作出這種預(yù)測(cè)。
在電信方面，5G將成為WBG的驅(qū)動(dòng)力。待安裝的數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站將需要更高的能效，并且尺寸將變得更小巧輕便，以顯著提高性能并降低成本。
消費(fèi)電子市場(chǎng)也將大量采用這類(lèi)新型器件。移動(dòng)設(shè)備的日益普及和快速充電需求將驅(qū)動(dòng)無(wú)線供電和充電設(shè)備對(duì)新型器件的需求。
PART 03
未來(lái)值得期待
或許人們還需要等待一段時(shí)間才能感受到WBG器件的驚人潛力，但其應(yīng)用場(chǎng)景正在演變，制造商亦開(kāi)始提供可靠的解決方案?？梢源_信的是：WBG器件作為一種新型工具解決了功率器件設(shè)計(jì)師在這個(gè)以“效率”為口號(hào)的時(shí)代所面臨的問(wèn)題，這將直接給市場(chǎng)帶來(lái)巨大沖擊。