宽带隙—功率半导体的革命

宽带隙—功率半导体的革命 新的政府法规和行业标准正在引导公司采用宽带隙（WBG）电源解决方案，以减少其碳足迹并满足针对电动汽车，可再生能源，数据中心和其他市场的更高电源系统的日益增长的需求。

汽车行业是拉动对WBG功率器件需求的最大市场之一。欧盟设定了严格的减排目标，要求汽车制造商到2020年使车辆的二氧化碳排放量达到每公里98克或更少。为了达到这个水平，汽车制造商需要提供混合动力和电动汽车的混合产品。2017年，全球生产7300万辆乘用车。虽然其中只有约400万是电动汽车和混合动力汽车，但预计这一数字将显着增长（图1）。

图1：严格的新排放目标将迫使汽车制造商提供混合动力汽车和电动力汽车。（资料来源：YoleDéveloppement）

现在，典型的电动汽车包含500美元的半导体成分。但是，随着高级驾驶员辅助系统（ADAS）的发展，该行业将看到对通信，遥测和信息娱乐的需求增加，这将需要超过一千瓦的功率。

随着更多的车载传感器和更多的数据在车辆与云之间传输，预计每辆车每天将传输约4,000 GB的数据。仅汽车行业就需要超过400个超大规模数据中心。

宽带隙材料

随着新系统推动更高的功率密度和更高的效率，硅技术根本不够高效，需要引入可提供更高性能的WBG材料。

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）是化合物半导体材料，已经存在超过20年，最早应用于军事和国防领域。与硅相比，它们是非常坚固的材料，并且需要三倍的能量才能使电子开始在材料中自由移动。更大的能隙（或更宽的带隙）使这些材料具有更高的品质，例如更快的开关速度，更高的效率和更高的功率密度（图2）。

WBG功率晶体管的主要优点之一是大大降低了开关损耗。想一想打开和关闭开关。从打开状态到关闭状态需要一定的时间。在此过渡时间内，功率被浪费了。该器件的目标是尽快切换，以减少功率损耗并提高晶体管的效率。

图2：SiC MOSFET与IGBT相比的性能优势。

法拉利vs悍马

这两种WBG半导体现在正因其独特的特性而获得市场认可。GaN就像快如闪电的法拉利，而SiC就像增压的悍马。具有高功率密度和非常快开关速度的GaN将在某些应用中替代超结MOSFET，例如电动汽车的电源适配器，服务器电源和车载充电器（OBC）。

SiC MOSFET将开始涉足1200V及以上的绝缘栅双极晶体管（IGBT）领域，在此领域，电动汽车牵引逆变器，工业电源和太阳能逆变器等市场需要坚固耐用，快速开关和大功率（图3）。

图3：对于高功率密度电源，GaN聚焦在≤650V，而对于工业应用，SiC聚焦在≥1200V。（来源：Yolé开发）

不断发展的SiC供应链

由于SiC功率解决方案在过去几年中被迅速接受，因此SiC供应链正在努力满足市场需求。现在，位于北卡罗来纳州的Cree，Inc.是SiC衬底的主要供应商，他们和其他公司正进行大量投资以加速供应。在最近的Cree收益电话中，公司首席执行官Gregg Lowe表示：“在电动汽车市场中，对碳化硅的兴趣非常高，这是因为其应用性能非常强大。利用碳化硅可以节省空间，减少冷却需求，并减小体积。低电池成本。这些好处远远超过了增加的材料成本。”

意法半导体已经与Cree签订了SiC衬底的长期供应协议。其他设备制造商正朝着完全集成的方法发展，从制造SiC晶片到功率器件加工。

Tesla Model 3牵引逆变器，展示了意法半导体的SiC MOSFET电源模块。（来源：Pntpower）

材料与加工挑战

SiC制造的主要挑战涉及其材料特性。SiC几乎与金刚石材料一样硬，并且需要更高的温度，更高的能量和更多的时间来生长和处理晶体。SiC的生长非常缓慢，以形成大约35-50mm高的4/ 6英寸晶锭。通常，其中的15-20mm是单晶可用的，每个晶锭可使用15-20个晶片。相比之下，利用切克劳斯基（Czochralski）工艺的硅锭可高达2米高，每个硅锭可生产约2,000个晶片（图4）。

图4：碳化硅（左）与硅晶（右）

籽晶，衬底和外延层的质量对于SiC MOSFET和二极管来说是至关重要的，因为它们是垂直器件。SiC的生长缺陷比硅多几个数量级，这导致器件故障的可能性更高。对于SiC而言，需要减少诸如基面位错（BPD）和螺型位错等致命缺陷，以提供更高的晶圆产量。

在器件级别，SiC需要更高的注入能量，温度以及用于器件处理的新掺杂剂。由于在打开和关闭器件时界面材料之间的电荷陷阱，因此栅极氧化物的分层至关重要。新一代的MOSFET正在移至沟槽栅极，由于各种沟槽壁上的生长率不同，在生长氧化物时会带来挑战和困难（图5）。

图5：增强型U-MOSFET设计具有沟槽栅，在生长氧化物时会带来挑战（来源：Leti，ROHM）