在過去的二十年中，研究人員和大學已經(jīng)對幾種寬帶隙材料進行了實驗，這些材料顯示出巨大的潛力來替代射頻，發(fā)光，傳感器和功率半導體應用中的現(xiàn)有硅材料技術(shù)。在新世紀即將來臨之際，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)達到了足夠的成熟度并獲得了足夠的吸引力，從而拋棄了其他潛在的替代方法，并得到了全球工業(yè)制造商的足夠關注。

最近，重點是研究與材料有關的缺陷。為新產(chǎn)品開發(fā)定制的設計，過程和測試基礎結(jié)構(gòu);并建立一種可重現(xiàn)的無源(二極管)器件和幾種有源器件(MosFET，HEMT，MesFET，JFET或BJT)，這些器件開始進入演示板，并證明了寬帶隙(WBG)材料無可爭議的優(yōu)勢。關于功率半導體，這些包括工作溫度范圍的擴展，電流密度的增加以及開關損耗的減少多達十倍，從而允許在明顯更高的頻率下連續(xù)運行，從而減小了系統(tǒng)重量和最終應用的尺寸。

對功率半導體器件的需求不斷增長，帶動了寬帶隙半導體市場。關鍵參與者一直在投資于SiC和GaN的材料和晶圓的開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)。WBG市場走向何方?誰是主導者?他們?nèi)绾谓鉀Q數(shù)十年來歷史悠久的高成本，數(shù)量有限和供應鏈受限的問題?該《 EE Times》特別項目將揭示W(wǎng)BG半導體市場的技術(shù)，應用和動態(tài)。

對于這兩種材料，仍然存在一些獨特的工程挑戰(zhàn)：

GaN非常適合中小功率，主要是消費類應用的氮化鎵，似乎允許高度集成，其中一個或多個電源開關與驅(qū)動器電路一起封裝，并有可能在集成電路上創(chuàng)建電源轉(zhuǎn)換IC。單片芯片，由最先進的8–12英寸混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認為是一種稀有的，無毒的金屬，在硅生產(chǎn)設備中可能會作為無意的受體而產(chǎn)生副作用，因此嚴格分隔許多制造工藝步驟(如干法蝕刻，清潔或高溫工藝)仍然是關鍵要求。

此外，GaN在MO-CVD外延工藝中沉積在晶格不匹配的載體(例如SiC)上，或者沉積在較大的晶片直徑上(通常甚至沉積在硅上)，這會引起膜應力和晶體缺陷，這主要導致器件不穩(wěn)定，并有時導致災難性事故。失敗。

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件，其利用由肖特基型金屬進行選通的源極和漏極之間的固有二維電子氣通道。

另一方面，SiC由硅和石墨的豐富成分組成，它們共同構(gòu)成了地殼的近30%。工業(yè)規(guī)模的單晶SiC鑄錠的增長為6''提供了完善且廣泛可用的資源。早期行動者最近已經(jīng)開始評估8“晶圓，并且希望在未來五年內(nèi)，SiC制造將擴展到8”晶圓生產(chǎn)線。

圖1. 6英寸晶圓上的碳化硅成熟度—半透明碳化硅襯底與成品晶圓的比較。

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET在市場上的廣泛采用提供了所需的縮放效果，以降低高質(zhì)量襯底，SiC外延和制造工藝的制造成本。通過視覺和/或電應力測試消除的晶體缺陷極大地影響了較大尺寸芯片的良率。此外，由于溝道遷移率低，存在一些挑戰(zhàn)，這會阻止SiC FET在100-600 V之間的范圍內(nèi)與硅FET競爭。

市場領導者已經(jīng)意識到垂直供應鏈對制造GaN和SiC產(chǎn)品的重要性。在單一屋頂下增強制造能力-包括晶體生長，晶圓加工和拋光，外延，器件制造以及封裝專業(yè)知識，包括優(yōu)化的模塊和封裝，其中考慮了快速瞬變和熱性能或?qū)拵?WBG)器件的局限性—允許低成本以及高產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛且具有競爭力的產(chǎn)品組合和全球供應鏈，新的重點正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制以實現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應用程序。硅二極管，IGBT和超結(jié)MOSFET的替代產(chǎn)品為WBG技術(shù)做好了市場準備。在根據(jù)選擇性拓撲調(diào)整電氣性能以繼續(xù)提高電源效率方面還有更多潛力。擴大駕駛范圍;減少重量，尺寸和組件數(shù)量;并實現(xiàn)在工業(yè)，汽車和消費領域的新穎，突破性的最終應用。

圖2：單擊圖像放大。在PFC和LLC階段均使用1200V SiC MOSFET的最高效率車載充電器系統(tǒng)，可實現(xiàn)最高的功率密度和最低的重量。

能夠?qū)崿F(xiàn)快速設計周期的關鍵因素是精確的香料模型，其中包括熱性能和校準的封裝寄生效應(幾乎適用于所有流行的仿真器平臺)以及快速采樣支持，應用筆記，定制的SiC和GaN驅(qū)動器IC，以及全球支持基礎架構(gòu)。

未來十年將見證另一個歷史性的變革，其中基于GaN和SiC的功率半導體將推動功率電子封裝集成和應用領域的根本性發(fā)明。在此過程中，硅器件將幾乎從電源開關節(jié)點中消除。盡管如此，他們將繼續(xù)在高度集成的功率IC和較低電壓范圍中尋求庇護。