浅谈 SiC /GaN 功率器件(一)

辛路 · 2018-11-02 · 阅读 27406

SiC 和 GaN 是宽禁带(WBG)材料，为下一代功率器件提供基础，其与第一代半导体材料 Si 和第二代半导体材料 GaAs 相比，SiC 具有更优良的物理和化学性质，包括高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等。一些非常重要的市场趋势正在推动化合物半导体器件在关键行业的应用，其主要包括第五代(5G)无线网络协议、无人驾驶和自动汽车、交通电气化、增强现实和虚拟现实(AR/VR)。

本期先抛砖引“砖”，更希望能引出美玉。本期和往期一样，首先看思维导图:

1.背景

SiC 和 GaN 是宽禁带(WBG)材料，为下一代功率器件提供基础，其与第一代半导体材料 Si 和第二代半导体材料 GaAs 相比，SiC 具有更优良的物理和化学性质，这些性质包括高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等。

与硅相比，它们的特性和性能更出色，因为其类金刚石的结构要求更高的能量，以将稳定的电子移动到传导之中，其主要的优势之一是显著减少开关损耗，这使器件工作更低温，有助于缩小散热器和成本。其次是增加了开关速度，设计师能超越硅 MOSFET 或 IGBT 的物理极限，让系统能够减少变压器、电感器和电容器等无源元件，提高系统能效、缩小尺寸、降低元件成本、及提高功率密度。

SiC 电力电子器件主要包括功率二极管和三极管(晶体管、开关管)。SiC 功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、重量以及成本的大幅减低。

GaN 功率器件和其他类型的功率半导体用于功率电子领域。基本上，功率电子设备利用各种固态电子部件，在从智能手机充电器到大型发电厂的任何事物中，更有效地控制和转换电能。GaN 基于镓和 III-V 族氮化物，是一种宽带隙工艺，意味着它比传统的基于硅的器件更快，而且能够提供更高的击穿电压。

2. 特性

(1).低导通电阻

功率电子产品的设计人员所追求的功率元件是，虽为开关损失很小的单极性元件，却可像硅双极元件一样实现较小的导通电阻。如果开关频率能够高于听觉频率上限 20kHz，便可降低噪声。而且，还能实现电容器及电感器等外围部件的小型化，因此也有助于实现功率电子产品的小型轻量化及低价格化。

要满足这些要求，可以采用物性更适合功率元件的新材料。那就是是带隙达到硅的三倍的宽带隙半导体材料 SiC 和 GaN。这些材料拥有很大的带隙，也就是说要生成电子空穴对需要很大的能量，因此很难因碰撞电离现象而出现雪崩击穿。这样便可拥有十倍于硅的击穿电场强度。如果击穿电场强度较大，便可在高浓度掺杂杂质的薄层保持耐压，因此可以降低导通电阻。

通过使用 SiC 和 GaN，可以大幅降低导通电阻。综合考虑迁移率及介电常数来计算，在耐压相同的情况下，可使导通电阻降至硅的 1/300~1/1000。因此，如果采用 SiC 或 GaN，即便是数 kV 耐压的元件，也不需要依赖电导率调制，单极性元件 SBD 或 MOSFET 可以实现足够低的导通电阻。

(2).高温工作

宽带隙半导体还具有可在高温下工作的优点。随着温度的升高，热量会使电子空穴对的生成更为活跃，半导体的逆向漏电流也会增加。工作温度因元件的种类、构造及耐压不同而异，但硅材料的实用极限结温为 150~200°C左右。考虑到半导体元件的热阻，需要使安装元件的散热片的温度低于结温。由于这种原因，在功率电子领域，散热措施成了重要的技术课题。

SiC 及 GaN 因带隙很大，所以很难因热量的作用而生成电子空穴对。因此，就算结温达到 300°C，原理上超过 500°C，也仍然可以发挥功率元件的功能。

3.技术发展

(1).SiC 晶体生长

在 1987 年前后，日本京都大学教授松波发现，如果将基板的晶体表面相对于稳定的晶体面倾斜几度，生长层的晶体构造就会统一起来，从而使晶体品质获得飞跃性提高。根据其原理，松波将其命名为“台阶控制外延”技术。这项技术是现在制作 SiC 功率元件的基本技术，在世界各地获得了广泛使用。

几乎在台阶控制外延技术问世的同时，美国风险企业科锐(Cree)启动了通过升华法获得 SiC 块状晶体的业务。由此，晶圆(基板)供应有了眉目。另外，当时科锐以采用 SiC 的蓝色 LED 为目标，推进了 SiC 晶圆开发。目前，科锐通过在 SiC 晶圆上生长 GaN 而不是 SiC 来生产蓝色 LED 芯片。

至此，高品质外延生长技术和块状基板等元件制造所不可缺少的要素已全部具备。后来，松波等人于 1995 年成功试制出耐压 1750V 的 SiC 制 SBD，以此为契机，SiC 功率元件的研发在世界各地活跃起来，至今仍然如火如荼。

(2).缓冲层技术

GaN 的晶体生长曾经也是一大课题。关于这一材料，1986 年名古屋大学教授赤崎勇等人采用“低温沉积缓冲层技术”，在蓝宝石基板上生长出了高品质 GaN 晶体，以此为突破口，该材料的研究取得了进展。以后来的 GaN 蓝色 LED 开发为契机，GaN 的研发在世界各地活跃起来，技术开发快速推进。

GaN 与 SiC 不同，是以不同种类的基板上的“异质外延生长”为基础发展起来的。被认为最有力的 GaN 功率元件是“GaN-on-Si”功率元件，采用了在硅基板上实现异质外延生长的 GaN。与高价 SiC 基板上制作的 SiC 功率元件不

同，GaN-on-Si 的成本竞争力很高。虽然同为宽带隙半导体，但 SiC 和 GaN 获得了不同的发展，这一点十分有趣。

4.产业优势

1.电能损失可降低 50%以上

利用以 GaN 和 SiC 为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。仅将二极管材料由 Si 换成 SiC，逆变器的电能损失就可以降低 15~30%左右，如果晶体管材料也换成 SiC，则电能损失可降低一半以上。

2.有助于产品实现小型化

电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。利用 GaN 和 SiC 制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性:可进行高速开关动作和耐热性较高。

GaN 和 SiC 功率元件能以 Si 功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。耐热性方面，Si 功率元件在 200°C就达到了极限，而 GaN 和 SiC 功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

这些优点源于 GaN 和 SiC 具备的物理特性。与 Si 相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

5.市场规模预测

至 2020 年，我国 SiC 电力电子应用市场规模(包括衬底、外延、器件在内) 将达到 47.5 亿元。开关电源领域 SiC 市场价值约为 6 亿元。轨道交通领域应用整体市场价值达 4467 万元。交流电机领域的 SiC 市场规模达 33 亿元。UPS 应用 SiC 材料的市场价值将达 1.86 亿元新能源汽车中应用 SiC 材料的市场价值将达 5.1 亿元。

6.小结:

以 SiC 为代表的宽禁带半导体材料及功率器件被公认将成为电子电力应用的一次革命，受到世界各国政府与产业界的广泛关注和高度重视，将成为增长潜力巨大的战略性产业。