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第三代半導(dǎo)體普及的最大瓶頸:成本

作者: 時間:2020-09-03 來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察 收藏

現(xiàn)今流行的半導(dǎo)體材料:Si、SiC和GaN,三兄弟在半導(dǎo)體界的知名度和火熱度放在各類小視頻軟件不下于任何一個網(wǎng)紅,只可惜現(xiàn)實中我們往往只是沉溺于刷“帥哥美女”。今天我們再來聊聊這三兄弟~

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202009/417894.htm


1.厚積薄發(fā),應(yīng)運而生


作為半導(dǎo)體材料“霸主“的Si,其性能似乎已經(jīng)發(fā)展到了一個極限,而此時以SiC和GaN為主的寬禁帶半導(dǎo)體經(jīng)過一段時間的積累也正在變得很普及。所以,出現(xiàn)了以Si基器件為主導(dǎo),SiC和GaN為"游擊"形式存在的局面。

在Si之前,鍺Ge是最早用于制造半導(dǎo)體器件的材料,隨后Si以其取材廣泛、易形成SiO2絕緣層、禁帶寬度比Ge大的優(yōu)勢取代了Ge,成為主要的半導(dǎo)體材料。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,Si基半導(dǎo)體器件也在飛速發(fā)展,電流、電壓等級越高,芯片越薄越小、導(dǎo)通壓降越小、開關(guān)頻率越高、損耗越小等等。任何事物的發(fā)展,除了外在力的作用,自身特性也會限制發(fā)展,Si基半導(dǎo)體器件似乎已經(jīng)到了"寸步難行"的地步。而此時,以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為主的新型半導(dǎo)體材料,也就是我們常說的第三代寬禁帶半導(dǎo)體(WBG)"破土而出",以其優(yōu)越的性能突破的Si的瓶頸,同時也給半導(dǎo)體器件應(yīng)用帶來了顯著的提升。


相對于Si,SiC和GaN有著以下幾點優(yōu)勢:

? 禁帶寬度是Si的3倍左右,擊穿場強約為Si的10倍;
? 更高的耐壓能力以及更低的導(dǎo)通壓降;
? 更快的開關(guān)速度和更低的開關(guān)損耗;
? 更高的開關(guān)頻率;
? 更高的允許工作溫度;
? SiC具有更高的熱導(dǎo)率;
根據(jù)上面的優(yōu)勢,第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件,能夠達到更高的開關(guān)頻率,提高系統(tǒng)效率,同時增大功率密度等,但是目前推動的最大推動力還得看成本!

2.SiC & GaN


目前,SiC和GaN半導(dǎo)體器件早已進入商業(yè)化,常見的SiC半導(dǎo)體器件是SiC Diode、JFET、MOSFET,GaN則以HEMT(高電子遷移率晶體管)為主。

SiC半導(dǎo)體器件:

不同類型的碳化硅器件結(jié)構(gòu)和工藝難度都不一樣,一般都是依據(jù)其工藝難度依次推出的??芍?,SiC Diode便是最早實現(xiàn)商業(yè)化碳化硅半導(dǎo)體器件,同時也是歷經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部封裝優(yōu)化最多的器件,自身耐壓能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高,是目前最為成熟的SiC半導(dǎo)體器件。肖特基二極管SBD是最先商業(yè)化的碳化硅二極管,其具有較低的導(dǎo)通壓降,但是反向漏電流較大,為了限制反向漏電流,結(jié)勢壘控制肖特基二極管JBS應(yīng)運而生;隨后還有JBS和PiN結(jié)合的肖特基二極管MPS,主要都是為了平衡其正向壓降和反向漏電流。碳化硅SBD的反向恢復(fù)過程很短、反向恢復(fù)損耗低,正向壓降具有正溫度系數(shù),適合多管并聯(lián)的應(yīng)用場合,目前商用的主要為MPS二極管。

碳化硅JFET一般為常開型器件,為了實現(xiàn)常斷,目前一般是將常開的SiC JFET和一個起控制作用的低壓Si MOSFET級聯(lián)成Cascode結(jié)構(gòu),即共源共柵結(jié)構(gòu)。


Cascode結(jié)構(gòu)的SiC JFET能夠兼容原先的Si MOSFET或者Si IGBT的驅(qū)動電路,并且性能上幾乎不會因為多串聯(lián)了一個器件而產(chǎn)生影響。SiC JFET為單極型器件,沒有柵氧層,工藝上比較容易實現(xiàn)且可靠性較高,但是對于驅(qū)動電路的控制要求較高,采用Cascode結(jié)構(gòu)是一個不錯的選擇。

SiC MOSFET是目前倍受工業(yè)界關(guān)注的SiC半導(dǎo)體器件,其導(dǎo)通電阻小、開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單、允許工作溫度高等特點,能夠提高電力電子裝置的功率密度和工作環(huán)境溫度,適應(yīng)當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢,也是被認(rèn)為是Si基IGBT的理想替代者(奪權(quán)時間待定)。相對而言,SiC MOSFET的工藝步驟更復(fù)雜、難度更高,制造工藝的研發(fā)時間較長,這也是為什么SiC MOSFET比前兩者來得稍晚些。

SiC IGBT?前面我們也有聊到過,就應(yīng)用領(lǐng)域的性價比來說,SiC IGBT也有,不過相對來說不會太常見。-- SiC IGBT--PET的未來?

GaN半導(dǎo)體器件:

氮化鎵器件最接地氣的就是各類手機快充,GaN器件的性能遠(yuǎn)由于Si基器件,因為GaN器件的結(jié)電容很小,開關(guān)速度非???,能夠在幾納秒內(nèi)完成開關(guān),損耗極小,使得其工作頻率達到MHz級別,大大提高了系統(tǒng)的功率密度。GaN半導(dǎo)體器件主要以HEMT為主,我們也叫調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管MODFET,導(dǎo)通電阻非常小,并且不需要柵極正偏就能形成導(dǎo)電溝道,所以一般為常開器件。為了實現(xiàn)常斷,一般可以采用和SiC一樣的Cascode結(jié)構(gòu),還可以優(yōu)化自身的柵極結(jié)構(gòu),如在柵極下方生長P+AlGaN,形成深耗盡區(qū),在零偏壓的情況下阻斷溝道,實現(xiàn)閾值電壓大于0V的目的。

雖然SiC和GaN器件已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化,但是依舊存在很多沒有完全解決甚至未知的問題,未完待續(xù)。。。。。。

隨著SiC和GaN的快速發(fā)展,憑借其優(yōu)異的特性,在電力電子涉及的領(lǐng)域備受關(guān)注,不管是半導(dǎo)體器件的制造商,還是半導(dǎo)體器件的應(yīng)用商,無一不將其放在心上。但除了半導(dǎo)體器件的發(fā)展,外部電路,如驅(qū)動電路,或者是整個電路拓?fù)涞龋残枰粩喟l(fā)展和優(yōu)化,才能更大程度地發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)異性能。
雖然寬禁帶半導(dǎo)體不再是那么觸不可及,但是相對Si基而言,成本依舊是其侵占市場的一大阻礙,但大勢所趨僅僅是時間問題。




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