轉自：世紀金光半導體 2020年6月6日

         第三代半導體

         全球有40%的能量作為電能被消耗, 而電能轉換最大耗散是半導體功率器件。我國作為世界能源消費大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗就成為一個關鍵的技術難題。伴隨著第三代半導體電力電子器件的誕生，以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的新型半導體材料走入了我們的視野，并在近些年中逐步得以應用。

SiC和GaN被稱為“寬帶隙半導體”(WBG)，因為將這些材料的電子從價帶擴散到導帶需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量為1.1eV，氮化硅(SiC)則需3.3eV，氮化鎵(GaN)則需3.4eV. 這就帶來了更高的擊穿電壓，在某些應用中可高到1200-1700V。通過合適的生產工藝，WBG展現出以下優點：

 01極低的內部電阻

與同類硅器件相比，效率可提高70%

02 更高的功率密度

低電阻可改善熱性能(最高工作溫度增加了)和散熱，并可獲得更高的功率密度

 03 減積減重

散熱得到優化，與同類硅器件相比，就可以采用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少

04 極短的關斷時間

極短的關斷時間(GaN器件接近于零)能夠工作于非常高的開關頻率，而且工作溫度也更低

         傳統的電力電子設備使用的各類器件都可以用WBG器件代替。而傳統的硅器件在許多應用領域都達到了極限。顯然，WBG技術是未來電力電子的根基，將為各種領域的創新應用奠定基礎。

         PART 01  SiC和GaN的區別

         不同的應用所需的功率和頻率性能不同，無論硅器件還是新型WBG器件，每種類型的器件都有其用武之地。

         盡管在概念層面上有相似之處，但SiC和GaN器件彼此不可互換，二者因系統的工作要求和使用參數不同而有很大差別。

         尤其需要指出，SiC器件能承受更高的電壓，高達1200伏及以上，而GaN器件則能承受的電壓和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的關斷時間幾乎為零(由于具有高電子遷移率，其dV/dt電壓大于100V/s，而MOSFET硅器件僅50V/s)，特別適用于非常高頻的應用，可達到極高的能效和性能。但這些理想的特性也會給應用帶來麻煩：如果器件的寄生電容不接近于零，就會產生數十安培的電流尖峰，而在電磁兼容測試階段出現問題。

         由于可以采用TO-247和 TO-220封裝，SiC能夠在封裝方面發揮更多優勢，因為這兩種封裝可以讓新的SiC器件快速替換IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封裝(更輕、更小但還比較新)的GaN則能提供更優性能。

         另一方面，這兩種器件面臨的共同挑戰都與柵極驅動器的設計與構造有關。柵極驅動器應當能夠充分利用特定的分量特征，同時又要關注寄生分量(必須最小化以避免性能降低)和適當的電壓水平(希望類似于驅動傳統硅器件的電壓水平)。

         就成本而言，SiC器件現在更便宜，也更普及，因為它們是在GaN之前出現的。然而，不難想象，成本一方面與生產工藝有關，同時也跟市場需求有關，因此市場價格會趨于平穩。

         由于GaN襯底的生產成本較高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅為襯底。最近，瑞典林克平大學(University of Linkóping)與其剝離公司SweGaN合作進行了一些研究，按照SiC襯底和新的晶圓生長工藝(稱為跨晶異質外延，可防止出現結構缺陷)的想法，獲得了可與SiC器件相媲美的最大電壓，但工作頻率可以達到硅基GaN的水平。這項研究還表明，采用這一機制能夠改善熱管理、獲得3kV以上的垂直擊穿電壓，以及比目前解決方案小一個數量級的通態阻抗等性能。

         PART 02  應用和市場

         WBG器件的應用領域仍然是一個小眾市場，研發人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發揮其潛力。其最大的新技術市場是二極管市場，但WBG預計將在未來5年內充斥晶體管市場。

         潛在應用已在醞釀之中。據預測，電動車、電信網絡和消費電子市場是最合適的目標市場。

         根據銷售預測，最有利可圖的市場將是涉及電動車和自動駕駛汽車的市場，其中WBG器件將用于逆變器、車載充電設備(OBC)和防撞系統(LiDAR)。鑒于這類器件的熱特性和能率，可以很好地滿足蓄能器性能優化的要求，人們自然會作出這種預測。

         在電信方面，5G將成為WBG的驅動力。待安裝的數百萬個基站將需要更高的能效，并且尺寸將變得更小巧輕便，以顯著提高性能并降低成本。

         消費電子市場也將大量采用這類新型器件。移動設備的日益普及和快速充電需求將驅動無線供電和充電設備對新型器件的需求。

         PART 03  未來值得期待

或許人們還需要等待一段時間才能感受到WBG器件的驚人潛力，但其應用場景正在演變，制造商亦開始提供可靠的解決方案。可以確信的是：WBG器件作為一種新型工具解決了功率器件設計師在這個以“效率”為口號的時代所面臨的問題，這將直接給市場帶來巨大沖擊。

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