何時應(yīng)對寬能帶隙材料時代

　　首先來看看碳化硅。關(guān)于碳化硅功率器件的開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了20多年了。600V肖特基二極管作為第一款商用功率器件出現(xiàn)在10年前，而后逐步發(fā)展成結(jié)勢壘混合PiN的肖特基二極管。碳化硅器件的好處在于其材料的耐用性。熱傳導(dǎo)性較硅器件提升三倍，同質(zhì)性的基底和外延層允許垂直功率器件在硅片上均勻地散熱，可以耐受大浪涌電流、高瞬態(tài)電壓和高功率。

碳化硅晶片

　　現(xiàn)今，碳化硅晶體管開關(guān)正在進(jìn)行最初的商業(yè)化，早期的MOSFET具有相對較高的導(dǎo)通阻抗，并且由于表面溝道活動性和柵極電介質(zhì)應(yīng)力而仍然而有其局限性。 新型MOSFET正處于開發(fā)之中，并可部分克服這些局限性。雙極和JFET器件避免了這些問題，因此具有接近理論極限的更低阻抗。雙極器件通常處于關(guān)斷狀 態(tài)，這在大多數(shù)應(yīng)用中是必需的。新型BJT具有無存儲時間、20ns開關(guān)時間、100以上的大電流增益、大電流下無增益下降、有益于穩(wěn)定的負(fù)增益和Vcesat溫度系數(shù)，并且無二次擊穿等特性。雖然可以制造JFET在零柵極偏置電壓下完成夾斷，但這也增大了導(dǎo)通狀態(tài)的電壓，也將柵極電壓的擺幅限制在3V以內(nèi)。通 常導(dǎo)通的JFET的傳導(dǎo)損耗幾乎與雙極器件持平，但是一般要求以串聯(lián)方式將器件聯(lián)成共發(fā)共基放大器（cascode），或者在允許“常開”工作的情況下至 少是負(fù)驅(qū)動。

　　氮化鎵器件又如何呢？30V至200V的更低電壓器件已經(jīng)面市。在100V以下時，這種器件實(shí)際上具有比硅器件更高的導(dǎo)通阻抗。柵極電荷方面的少許優(yōu)勢是這些器件所具有的唯一先進(jìn)之處，而在沒有柵穿效應(yīng)的情況下驅(qū)動器件會成為挑戰(zhàn)。即將推出商用600V器件。這些器件中有一些是在碳化硅基層襯底上構(gòu)建的，但是由于成本原因，大多數(shù)公司傾向于采取在硅基層上制作GaN外延的方式。由于存在廣泛的晶體失配現(xiàn)象，這無疑成為嚴(yán)峻的工藝挑戰(zhàn)；MOCVD工藝正處于開發(fā)之中，該工藝能夠使層厚達(dá)到數(shù)微米，足夠滿足處理600V電壓的要求，而沒有過度的翹曲和變形。由于失配引起的不可避免的斷層通常在109/cm2的范圍內(nèi)，需要給予抑制，以避免導(dǎo)電硅基層的泄漏，重要的是在薄膜中加入特別的雜質(zhì)，以控制泄漏電流以及以及體電荷陷落。表面電荷和體電荷的陷落會引起導(dǎo)通電壓的增加以及阻斷電壓的不穩(wěn)定。幸運(yùn)的是，最近報(bào)道在解決這些不穩(wěn)定性方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。

氮化鎵器件

　　從理論上講，氮化鎵垂直器件在傳導(dǎo)率方面優(yōu)于碳化硅器件。這一點(diǎn)常用明確的Rdson對比額定BV圖形來表示。問題在于缺乏具有合 理的成本和直徑的均勻的氮化鎵基層。因此，幾乎所有的努力都放在了橫向高電子遷移率晶體管（HEMT）上面，這些晶體管并未延續(xù)垂直器件的思路。這些器件 的性能取決于減小特征尺寸、2維電子氣（2DEG）接觸阻抗以及漏極漂移長度。這意味要獲取低阻抗，高表面電場是不可避免的，并且這些器件不能承受很大的 雪崩電流。這些器件必須采取保守設(shè)計(jì)的方式，以確保瞬變電壓值不會達(dá)到實(shí)際器件的擊穿電壓。高電子遷移率晶體管是帶有漏肖特基柵極的常開器件，所以，對于 高電壓一般采用一種絕緣柵極結(jié)構(gòu)和常閉器件設(shè)計(jì)中的一種創(chuàng)新方法。

　　碳化硅器件成功的關(guān)鍵是加快了解成本和材料缺陷方面的知識，開發(fā)基底和外延生產(chǎn)能力，并轉(zhuǎn)換至150mm晶圓尺寸，以便使用廣泛的晶圓生產(chǎn)能力。預(yù)計(jì)在今 后2至3年將會出現(xiàn)600V至1700V以及電壓更高的商用器件。氮化鎵器件成功的關(guān)鍵在于提高150mm至200mm晶圓的產(chǎn)量以及降低MOCVD工藝 的成本，采用能夠承受高工作電壓和表面電場應(yīng)力的器件和材料設(shè)計(jì)。這在100V至600V器件的開發(fā)中已經(jīng)開始實(shí)施，預(yù)計(jì)在未來2至3年這些器件的產(chǎn)量會 快速攀升。

　　硅器件將來能夠承受其他技術(shù)的沖擊嗎？回答是肯定的！憑借數(shù)十年的可靠性驗(yàn)證和現(xiàn)場使用，以及具有成本效益的高度成熟制造設(shè)施，在未來數(shù)年中，IGBT、 SuperFET? MOSFET以及STEALTH?整流器將會滿足600V至1200V市場需求。屏蔽柵PowerTrench? 硅器件仍然是25V至150V應(yīng)用的首選器件。隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)使用寬能帶隙器件的高頻能力，這些器件在系統(tǒng)性能、尺寸以及成本方面的優(yōu)勢將會顯現(xiàn)出 來，并在2020年前乃至其后十年中逐步推動該產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)寬能帶隙器件的普遍使用。

　　首先來看看碳化硅。關(guān)于碳化硅功率器件的開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了20多年了。600V肖特基二極管作為第一款商用功率器件出現(xiàn)在10年前，而后逐步發(fā)展成結(jié)勢壘混合PiN的肖特基二極管。碳化硅器件的好處在于其材料的耐用性。熱傳導(dǎo)性較硅器件提升三倍，同質(zhì)性的基底和外延層允許垂直功率器件在硅片上均勻地散熱，可以耐受大浪涌電流、高瞬態(tài)電壓和高功率。

碳化硅晶片

　　現(xiàn)今，碳化硅晶體管開關(guān)正在進(jìn)行最初的商業(yè)化，早期的MOSFET具有相對較高的導(dǎo)通阻抗，并且由于表面溝道活動性和柵極電介質(zhì)應(yīng)力而仍然而有其局限性。 新型MOSFET正處于開發(fā)之中，并可部分克服這些局限性。雙極和JFET器件避免了這些問題，因此具有接近理論極限的更低阻抗。雙極器件通常處于關(guān)斷狀 態(tài)，這在大多數(shù)應(yīng)用中是必需的。新型BJT具有無存儲時間、20ns開關(guān)時間、100以上的大電流增益、大電流下無增益下降、有益于穩(wěn)定的負(fù)增益和Vcesat溫度系數(shù)，并且無二次擊穿等特性。雖然可以制造JFET在零柵極偏置電壓下完成夾斷，但這也增大了導(dǎo)通狀態(tài)的電壓，也將柵極電壓的擺幅限制在3V以內(nèi)。通 常導(dǎo)通的JFET的傳導(dǎo)損耗幾乎與雙極器件持平，但是一般要求以串聯(lián)方式將器件聯(lián)成共發(fā)共基放大器（cascode），或者在允許“常開”工作的情況下至 少是負(fù)驅(qū)動。

　　氮化鎵器件又如何呢？30V至200V的更低電壓器件已經(jīng)面市。在100V以下時，這種器件實(shí)際上具有比硅器件更高的導(dǎo)通阻抗。柵極電荷方面的少許優(yōu)勢是這些器件所具有的唯一先進(jìn)之處，而在沒有柵穿效應(yīng)的情況下驅(qū)動器件會成為挑戰(zhàn)。即將推出商用600V器件。這些器件中有一些是在碳化硅基層襯底上構(gòu)建的，但是由于成本原因，大多數(shù)公司傾向于采取在硅基層上制作GaN外延的方式。由于存在廣泛的晶體失配現(xiàn)象，這無疑成為嚴(yán)峻的工藝挑戰(zhàn)；MOCVD工藝正處于開發(fā)之中，該工藝能