宽带隙技术发展现状 不断演变的宽带隙半导体技术

简介

几乎所有采用电气控制、通信、电力、驱动和传感的技术系统都已实现了电气化以及电气连接。从20世纪50年代开始，硅(Si) 一直是这项技术的核心元素。经过几十年的发展，Si已经成为一种用途极为广泛的。然而，Si在高功率、高频率、高效率、抗辐射、低噪声和光电能力等特定领域的应用却受到了限制。第三代半导体，尤其是宽带隙(WBG) 半导体，提供了优于Si的性能优势，这也证明了有必要花费大量时间和精力来开发经济上可行的半导体制造基础设施和工艺。

图源：krasyuk/Stock

许多IV类、III-V类和II-VI类化合物半导体材料都具有宽带隙。这些材料通常用于光子学、发光二极管和激光器，只有少数适用于更广泛的半导体应用。其中，碳化硅(SiC) 和氮化镓(GaN) 是两种出色的宽带隙半导体技术。虽然金刚石(C) 半导体具有许多吸引人的特性，但生产金刚石半导体的相对成本一直是其广泛应用的障碍。SiC和GaN正越来越多地应用于高功率、高频率、高效率和高辐射环境，以实现其他半导体技术无法达到的性能水平。此外，SiC和GaN技术的成熟也带来了更显著的规模经济效益和更大的晶圆尺寸，从而降低了成本，并将该技术的适用性扩展到许多传统的硅功率应用领域（图1和图2）。

图1：硅 (Si)、碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN)、硅超级结 (Si SJ) 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) / 栅极关断 (GTO) 晶闸管器件在功率和频率方面的比较（图源：作者）

图2：截至2022年底，Si、GaN和SiC器件的相对电压范围（图源：作者）

2023年SiC发展现状

经过几十年的发展，SiC已然成为了成熟的WBG半导体技术。最近，SiC在高压和大功率电动汽车 (EV) 充电基础设施领域取得了长足进步。随着电动汽车和充电基础设施制造商将重点转向800V电动汽车等系统，这一趋势还将持续下去。SiC在高压直流输电 (HVDC)和可再生能源应用中也得到了越来越多的采用，在这些应用中，较高的电压可以实现较小的导体尺寸和损耗。但由于SiC的成本仍然是同类Si技术的三到四倍，因此一般用于对高电压需求高于成本的应用中。例如，SiC功率器件的高电压能力有利于光伏太阳能和其他可再生能源应用，因此可以在这些应用中使用更小更轻的无源元件，如电感器和变压器，进而可以节省净成本或带来竞争优势。

SiC的主要应用领域是高压和高温场景，如功率因数校正(PFC) 电路、AC-DC整流器、DC-AC逆变器、电池充电器和数据中心的电力电子设备。有人预测，仅用于电动汽车市场的6英寸SiC晶圆产能将从2021年的125,000片增长到2030年的400多万片，这种逐年增长的高需求促使SiC制造能力得到了长足发展。目前的目标似乎是提高200mm SiC晶圆的产量，但未来可能会出现更大尺寸的晶圆，从而进一步降低SiC器件的价格，并为其他应用打开大门。

2023年GaN发展现状

SiC主要在600V以上的应用中获得了发展，但在 600V 以下的应用中，传统Si技术的可行性较低，而GaN技术正在逐步取代Si技术。GaN晶体管还有一个独特的优势：其电子迁移率是Si和SiC的数倍。这使得GaN器件可以在更高的频率下工作。因此，GaN为开关器件和RF技术提供了在更高频率和功率水平下的WBG优势。不过，GaN半导体的热导率往往不到SiC的一半，因此功率处理能力较低。这也是设计人员偏好使用SiC器件来处理高功率下的极端电压的原因之一（图 3）。

目前，有迹象表明，在要求电压低于400V的应用中，GaN功率半导体器件具有明显的市场优势。在800V以上的应用中，SiC功率半导体似乎仍占据着主要市场。GaN和SiC在400V至800V之间的应用中展开竞争，随着更高电压GaN技术的普及，在应用市场和电压范围上的竞争会越来越激烈。随着2022年末1200V GaN器件的推出，GaN和SiC在高压领域的竞争也会加剧。2000V以上的功率器件市场相对较小，但随着大型工业系统的电气化程度不断提高，以及更多可持续和可再生技术被集成到普通电网供电系统中，该市场可能会继续缓慢增长。

图3：GaN和SiC半导体器件在不同应用和电压下的分布情况（图源：作者）

目前，SiC衬底和制造成本高于GaN器件，而5kW+系统的最终器件成本在GaN和SiC之间不相上下。不过，SiC器件的芯片尺寸确实小于当前的GaN工艺。市场上已有可用于1200V和1700V阻断电压的SiC器件，更高电压器件的开发工作正在进行中；GaN晶体管的额定电压为900V，截至到2022年10月，额定电压已提高为1200V。为演示而开发的GaN器件可达到1200V，性能与SiC器件相当，但可能至少要到2025年才能实现商业化。一些预测显示，到2025年，1200V GaN MOSFET的成本将低于SiC MOSFET预期的每安培16美分，因为GaN的简单性和低成本基板可能会带来成本优势。

人们一直在努力开发更大尺寸的GaN晶圆，以进一步提高GaN的规模经济效益。GaN的其他发展涉及开发双工艺，即在同一晶圆上同时支持GaN和Si。这样就可以在与功率电子器件和大功率RF电子器件相同的器件上开发高密度数字电子器件。

其他WBG半导体

许多研究小组正在寻求开发其他WBG半导体技术，如氧化镓(Ga2O3) 和立方氮化硼(C-BN)，这些是极具前途的未来WBG半导体技术（表1）。这些材料目前已被用于各种应用，但距离商业化还有很长的路要走。Ga2O3的许多材料特性尚未明确，目前正在研究开发可用于未来制造的Ga2O3工艺。

以下列表包含部分常见和未来的WBG半导体材料：

•碳化硅 (SiC)

•氮化镓(GaN)

•钻石 (C)

•氮化硼 (BN)

•氧化锌 (ZnO)

•硒化锌 (ZnSe)

•硫化锌 (ZnS)

•碲化镉锌 (ZnTe)

•氧化镓(III) (Ga2O3)/氧化铝镓(III) ((Al2Ga)2O3)

•氧化铟 (I2O3)

表 1：WBG技术的主要规范（来源：作者）

BN是一种出色的WBG半导体材料，主要用于光电子和发光应用研究。BN具有间接带隙，允许p型和n型掺杂，并具有较高的预测击穿场强。它还可能具有较高的电子饱和速度和热导率，是已知最坚硬的材料之一。根据预测和模拟的Baliga和Johnson品质因子 (FoM)，BN可能是功率转换和高功率、高频器件的理想材料。然而，BN的掺杂状态和实际特性仍是未知数。

结论

SiC和GaN目前都在大功率和高频率市场占据主导地位，在其他WBG技术开发出来并投入商用之前，这种情况可能不会改变。这一过程通常需要近十年的时间；因此，在未来几年内，我们将继续看到SiC和GaN在中等功率领域的发展和竞争，而SiC器件将继续在更高电压等级上领先GaN器件。这两种技术都比Si贵得多，这一点可能不会改变，因为SiC和GaN的竞争范围往往在Si技术的边缘。

作者简介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle就读于罗切斯特理工学院 (RIT)，并获得了电气工程学士学位和硕士学位。在学习期间，JJ从事射频/微波研究，为大学杂志撰稿，并且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担任了Synaptics公司的集成电路布局和自动化测试设计工程师。经过6年开发和鉴定内置同轴天线和无线传感器技术的原创性研究，JJ在提交了多篇技术论文并获得一项美国专利后离开了RIT。为了进一步发展他的事业，JJ和妻子Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担任了《Microwaves & RF》（微波与射频）杂志的技术工程编辑。在此期间，JJ学会了如何将他的技能与他对射频工程和技术写作的热情结合起来。在JJ职业生涯的下一个阶段，他看到业界对有技术能力的作家和客观的行业专家有很大的需求，于是转而创办了自己的公司RFEMX。随着这一目标的实现，JJ扩大了自己公司的业务范围和愿景，开始从事信息交换服务 (IXS)。