尋找硅替代物的研究始于上個世紀的最后二十年，當時研究人員和大學已經對幾種寬帶隙材料進行了試驗，這些材料顯示出替代射頻，發(fā)光，傳感器和功率半導體的現(xiàn)有硅材料技術的巨大潛力。應用程序。在新世紀即將來臨之際，氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）達到了足夠的成熟度并獲得了足夠的吸引力，從而留下了其他潛在的替代品，從而引起了全球工業(yè)制造商的足夠關注。

 

在接下來的幾年中，重點是調查與材料有關的缺陷，為新材料開發(fā)定制的設計，工藝和測試基礎架構，并建立某種可重現(xiàn)的無源（二極管）器件和幾種有源器件（MosFET，HEMT，MesFET，JFET）或BJT）開始進入演示板，并能夠證明寬帶隙材料帶來的無可爭議的優(yōu)勢。關于功率半導體，這些包括工作溫度范圍的擴展，電流密度的增加以及開關損耗的多達十倍的降低，從而允許在明顯更高的頻率下連續(xù)運行，從而減小了系統(tǒng)的重量和最終應用的尺寸。

 

對于這兩種材料，仍然需要解決一些獨特的挑戰(zhàn)：

 

GaN非常適合中小型功率（主要是消費類應用），似乎可以實現(xiàn)高度的單片集成，其中一個或多個功率開關與驅動器電路共同封裝，有可能在單片芯片上創(chuàng)建功率轉換IC ，由最先進的8-12英寸混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認為是一種稀有的，無毒的金屬，在硅生產設施中可能會作為無意的受主而產生副作用，因此嚴格分隔許多制造工藝步驟（如干法蝕刻，清潔或高溫工藝）仍然是至關重要的要求。此外，在MO-CVD外延工藝中，GaN沉積在晶格不匹配的載體（如SiC）上，或者沉積在較大的晶片直徑上（通常甚至沉積在硅上），這可以減輕膜應力和晶體缺陷，

 

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件，其利用了源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，該通道由肖特基類型的金屬進行選通。

 

另一方面，SiC由硅和石墨的豐富成分組成，它們共同構成了地殼的近30％。工業(yè)規(guī)模的單晶SiC錠的生長是6英寸的成熟且廣泛可用的資源。早期行動者最近開始評估8英寸晶圓，并且希望在未來五（5）年內，SiC制造將擴展到8英寸晶圓生產線。

 

 

圖1：6英寸晶圓上的碳化硅成熟度–半透明碳化硅襯底與成品晶圓的比較

 

SiC肖特基二極管和SiC MOSFET在市場上的廣泛采用提供了所需的縮放效果，以降低高質量襯底，SiC外延和制造工藝的制造成本。晶體缺陷（通過視覺和/或電應力測試消除）極大地影響了較大尺寸芯片的良率。此外，由于溝道遷移率低，還存在一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)使SiC FET在100V至600V的電壓范圍內無法與Silicon FET競爭。

 

市場領導者已經意識到垂直供應鏈對制造GaN和SiC產品的重要性。在單一屋頂下建立制造能力，其中包括晶體生長，晶片和拋光，外延，器件制造和封裝專業(yè)知識，包括優(yōu)化的模塊和封裝，其中考慮了快速瞬變和熱功能或寬帶隙器件（WBG）的局限性允許最低的成本，最高的產量和可靠性。

 

憑借廣泛而具有競爭力的產品組合和全球供應鏈，新的重點正在轉向產品定制以實現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應用程序。硅二極管，IGBT和超結MOSFET的直接替代品已經為WBG技術市場做好了準備。在針對特定拓撲調整電氣性能以繼續(xù)提高功率效率，擴大驅動范圍，減少重量，尺寸和組件數(shù)量，以及在工業(yè)，汽車和消費領域實現(xiàn)新穎，突破性的最終應用方面，還有更多的潛力。

 

圖2：在PFC和LLC階段均使用1200V SiC MOSFET的最高效率車載充電器系統(tǒng)，可實現(xiàn)最高的功率密度和最低的重量。通過https://www.onsemi.com/products/wide-bandgap提供了參考設計

 

實現(xiàn)快速設計周期的關鍵要素是精確的香料模型，其中包括熱性能和校準的封裝寄生特性，幾乎可用于所有流行的仿真器平臺，以及快速采樣支持，應用筆記，定制的SiC和GaN驅動器IC以及全球范圍的支持基礎結構。

 

未來的十（10）年將見證另一場歷史性的變革，其中GaN和SiC基功率半導體將推動功率電子封裝集成和應用領域的根本性發(fā)明。在此過程中，硅器件將幾乎從電源開關節(jié)點中消除。盡管如此，他們將繼續(xù)在高度集成的功率IC和較低電壓范圍中尋求庇護。