簡介

幾乎所有采用電氣控制、通信、電力、驅動和傳感的技術系統(tǒng)都已實現(xiàn)了電氣化以及電氣連接。從20世紀50年代開始，硅(Si) 一直是這項技術的核心元素。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，Si已經(jīng)成為一種用途極為廣泛的半導體。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域的應用卻受到了限制。第三代半導體，尤其是寬帶隙(WBG) 半導體，提供了優(yōu)于Si的性能優(yōu)勢，這也證明了有必要花費大量時間和精力來開發(fā)經(jīng)濟上可行的半導體制造基礎設施和工藝。

圖源：krasyuk/Stock

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

圖1：硅 (Si)、碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN)、硅超級結 (Si SJ) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) / 柵極關斷 (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器件的相對電壓范圍（圖源：作者）

2023年SiC發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SiC已然成為了成熟的WBG半導體技術。最近，SiC在高壓和大功率電動汽車 (EV) 充電基礎設施領域取得了長足進步。隨著電動汽車和充電基礎設施制造商將重點轉向800V電動汽車等系統(tǒng)，這一趨勢還將持續(xù)下去。SiC在高壓直流輸電 (HVDC)和可再生能源應用中也得到了越來越多的采用，在這些應用中，較高的電壓可以實現(xiàn)較小的導體尺寸和損耗。但由于SiC的成本仍然是同類Si技術的三到四倍，因此一般用于對高電壓需求高于成本的應用中。例如，SiC功率器件的高電壓能力有利于光伏太陽能和其他可再生能源應用，因此可以在這些應用中使用更小更輕的無源元件，如電感器和變壓器，進而可以節(jié)省凈成本或帶來競爭優(yōu)勢。

SiC的主要應用領域是高壓和高溫場景，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)中心的電力電子設備。有人預測，僅用于電動汽車市場的6英寸SiC晶圓產(chǎn)能將從2021年的125,000片增長到2030年的400多萬片，這種逐年增長的高需求促使SiC制造能力得到了長足發(fā)展。目前的目標似乎是提高200mm SiC晶圓的產(chǎn)量，但未來可能會出現(xiàn)更大尺寸的晶圓，從而進一步降低SiC器件的價格，并為其他應用打開大門。

2023年GaN發(fā)展現(xiàn)狀

SiC主要在600V以上的應用中獲得了發(fā)展，但在 600V 以下的應用中，傳統(tǒng)Si技術的可行性較低，而GaN技術正在逐步取代Si技術。GaN晶體管還有一個獨特的優(yōu)勢：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為開關器件和RF技術提供了在更高頻率和功率水平下的WBG優(yōu)勢。不過，GaN半導體的熱導率往往不到SiC的一半，因此功率處理能力較低。這也是設計人員偏好使用SiC器件來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的應用中，GaN功率半導體器件具有明顯的市場優(yōu)勢。在800V以上的應用中，SiC功率半導體似乎仍占據(jù)著主要市場。GaN和SiC在400V至800V之間的應用中展開競爭，隨著更高電壓GaN技術的普及，在應用市場和電壓范圍上的競爭會越來越激烈。隨著2022年末1200V GaN器件的推出，GaN和SiC在高壓領域的競爭也會加劇。2000V以上的功率器件市場相對較小，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)和可再生技術被集成到普通電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，該市場可能會繼續(xù)緩慢增長。

圖3：GaN和SiC半導體器件在不同應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，SiC器件的芯片尺寸確實小于當前的GaN工藝。市場上已有可用于1200V和1700V阻斷電壓的SiC器件，更高電壓器件的開發(fā)工作正在進行中；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。為演示而開發(fā)的GaN器件可達到1200V，性能與SiC器件相當，但可能至少要到2025年才能實現(xiàn)商業(yè)化。一些預測顯示，到2025年，1200V GaN MOSFET的成本將低于SiC MOSFET預期的每安培16美分，因為GaN的簡單性和低成本基板可能會帶來成本優(yōu)勢。

人們一直在努力開發(fā)更大尺寸的GaN晶圓，以進一步提高GaN的規(guī)模經(jīng)濟效益。GaN的其他發(fā)展涉及開發(fā)雙工藝，即在同一晶圓上同時支持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發(fā)高密度數(shù)字電子器件。

其他WBG半導體

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

以下列表包含部分常見和未來的WBG半導體材料：

?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技術的主要規(guī)范（來源：作者）

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

結論

SiC和GaN目前都在大功率和高頻率市場占據(jù)主導地位，在其他WBG半導體技術開發(fā)出來并投入商用之前，這種情況可能不會改變。這一過程通常需要近十年的時間；因此，在未來幾年內，我們將繼續(xù)看到SiC和GaN在中等功率領域的發(fā)展和競爭，而SiC器件將繼續(xù)在更高電壓等級上領先GaN器件。這兩種技術都比Si貴得多，這一點可能不會改變，因為SiC和GaN的競爭范圍往往在Si技術的邊緣。

作者簡介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle就讀于羅切斯特理工學院 (RIT)，并獲得了電氣工程學士學位和碩士學位。在學習期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學雜志撰稿，并且是RIT第一個即興喜劇團的成員。在拿到學位之前，JJ就擔任了Synaptics公司的集成電路布局和自動化測試設計工程師。經(jīng)過6年開發(fā)和鑒定內置同軸天線和無線傳感器技術的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術論文并獲得一項美國專利后離開了RIT。為了進一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術工程編輯。在此期間，JJ學會了如何將他的技能與他對射頻工程和技術寫作的熱情結合起來。在JJ職業(yè)生涯的下一個階段，他看到業(yè)界對有技術能力的作家和客觀的行業(yè)專家有很大的需求，于是轉而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。隨著這一目標的實現(xiàn)，JJ擴大了自己公司的業(yè)務范圍和愿景，開始從事信息交換服務 (IXS)。