何時應對寬能帶隙材料時代?

2020-12-08 電子發燒友

何時應對寬能帶隙材料時代？

Dan Kinzer 發表於 2012-11-26 10:53:13

　　對於功率電子而言，寬能帶隙材料能夠以相同甚至更低的成本，顯著改善效率、尺寸及重量等指標。簡單地說，寬能帶隙器件具有優勝10倍的導通和開關性能，這種性能提升對於風能和太陽能、混合動力以及電動車輛的普及是至關重要的。即便功率電子絕對成本在不斷降低，其成本仍然是這類系統成本中不斷增加的部分。例如：太陽能電池板的成本較系統綜合系統的成本下降得快些。為了儘可能節省每一瓦功率，智能系統控制是一種必須的做法，同樣重要的是：功率器件需要儘可能高效地提供每一瓦功率。那麼，促進寬能帶隙器件的使用還有什麼要做？ 矽功率器件的未來又是什麼呢？

　　首先來看看碳化矽。關於碳化矽功率器件的開發已經持續了20多年了。600V肖特基二極體作為第一款商用功率器件出現在10年前，而後逐步發展成結勢壘混合PiN的肖特基二極體。碳化矽器件的好處在於其材料的耐用性。熱傳導性較矽器件提升三倍，同質性的基底和外延層允許垂直功率器件在矽片上均勻地散熱，可以耐受大浪湧電流、高瞬態電壓和高功率。

碳化矽晶片

　　現今，碳化矽電晶體開關正在進行最初的商業化，早期的MOSFET具有相對較高的導通阻抗，並且由於表面溝道活動性和柵極電介質應力而仍然而有其局限性。 新型MOSFET正處於開發之中，並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。雙極器件通常處於關斷狀 態，這在大多數應用中是必需的。新型BJT具有無存儲時間、20ns開關時間、100以上的大電流增益、大電流下無增益下降、有益於穩定的負增益和Vcesat溫度係數，並且無二次擊穿等特性。雖然可以製造JFET在零柵極偏置電壓下完成夾斷，但這也增大了導通狀態的電壓，也將柵極電壓的擺幅限制在3V以內。通 常導通的JFET的傳導損耗幾乎與雙極器件持平，但是一般要求以串聯方式將器件聯成共發共基放大器（cascode），或者在允許「常開」工作的情況下至 少是負驅動。

　　氮化鎵器件又如何呢？30V至200V的更低電壓器件已經面市。在100V以下時，這種器件實際上具有比矽器件更高的導通阻抗。柵極電荷方面的少許優勢是這些器件所具有的唯一先進之處，而在沒有柵穿效應的情況下驅動器件會成為挑戰。即將推出商用600V器件。這些器件中有一些是在碳化矽基層襯底上構建的，但是由於成本原因，大多數公司傾向於採取在矽基層上製作GaN外延的方式。由於存在廣泛的晶體失配現象，這無疑成為嚴峻的工藝挑戰；MOCVD工藝正處於開發之中，該工藝能夠使層厚達到數微米，足夠滿足處理600V電壓的要求，而沒有過度的翹曲和變形。由於失配引起的不可避免的斷層通常在109/cm2的範圍內，需要給予抑制，以避免導電矽基層的洩漏，重要的是在薄膜中加入特別的雜質，以控制洩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通電壓的增加以及阻斷電壓的不穩定。幸運的是，最近報導在解決這些不穩定性方面已經取得了很大的進步。

氮化鎵器件

　　從理論上講，氮化鎵垂直器件在傳導率方面優於碳化矽器件。這一點常用明確的Rdson對比額定BV圖形來表示。問題在於缺乏具有合 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電晶體（HEMT）上面，這些電晶體並未延續垂直器件的思路。這些器件 的性能取決於減小特徵尺寸、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，並且這些器件不能承受很大的 雪崩電流。這些器件必須採取保守設計的方式，以確保瞬變電壓值不會達到實際器件的擊穿電壓。高電子遷移率電晶體是帶有漏肖特基柵極的常開器件，所以，對於 高電壓一般採用一種絕緣柵極結構和常閉器件設計中的一種創新方法。

　　碳化矽器件成功的關鍵是加快了解成本和材料缺陷方面的知識，開發基底和外延生產能力，並轉換至150mm晶圓尺寸，以便使用廣泛的晶圓生產能力。預計在今 後2至3年將會出現600V至1700V以及電壓更高的商用器件。氮化鎵器件成功的關鍵在於提高150mm至200mm晶圓的產量以及降低MOCVD工藝 的成本，採用能夠承受高工作電壓和表面電場應力的器件和材料設計。這在100V至600V器件的開發中已經開始實施，預計在未來2至3年這些器件的產量會 快速攀升。

　　矽器件將來能夠承受其他技術的衝擊嗎？回答是肯定的！憑藉數十年的可靠性驗證和現場使用，以及具有成本效益的高度成熟製造設施，在未來數年中，IGBT、 SuperFET® MOSFET以及STEALTH™整流器將會滿足600V至1200V市場需求。屏蔽柵PowerTrench® 矽器件仍然是25V至150V應用的首選器件。隨著系統設計人員學習使用寬能帶隙器件的高頻能力，這些器件在系統性能、尺寸以及成本方面的優勢將會顯現出 來，並在2020年前乃至其後十年中逐步推動該產業的轉變，實現寬能帶隙器件的普遍使用。

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