在過(guò)去的二十年中，研究人員和大學(xué)已經(jīng)對(duì)幾種寬帶隙材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，這些材料顯示出巨大的潛力來(lái)替代射頻，發(fā)光，傳感器和功率半導(dǎo)體應(yīng)用中的現(xiàn)有硅材料技術(shù)。在新世紀(jì)即將來(lái)臨之際，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)達(dá)到了足夠的成熟度并獲得了足夠的吸引力，從而拋棄了其他潛在的替代方法，并得到了全球工業(yè)制造商的足夠關(guān)注。

最近，重點(diǎn)是研究與材料有關(guān)的缺陷。為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)定制的設(shè)計(jì)，過(guò)程和測(cè)試基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);并建立一種可重現(xiàn)的無(wú)源(二極管)器件和幾種有源器件(MosFET，HEMT，MesFET，JFET或BJT)，這些器件開(kāi)始進(jìn)入演示板，并證明了寬帶隙(WBG)材料無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于功率半導(dǎo)體，這些包括工作溫度范圍的擴(kuò)展，電流密度的增加以及開(kāi)關(guān)損耗的減少多達(dá)十倍，從而允許在明顯更高的頻率下連續(xù)運(yùn)行，從而減小了系統(tǒng)重量和最終應(yīng)用的尺寸。

對(duì)功率半導(dǎo)體器件的需求不斷增長(zhǎng)，帶動(dòng)了寬帶隙半導(dǎo)體市場(chǎng)。關(guān)鍵參與者一直在投資于SiC和GaN的材料和晶圓的開(kāi)發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)。WBG市場(chǎng)走向何方?誰(shuí)是主導(dǎo)者?他們?nèi)绾谓鉀Q數(shù)十年來(lái)歷史悠久的高成本，數(shù)量有限和供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜膯?wèn)題?該《 EE Times》特別項(xiàng)目將揭示W(wǎng)BG半導(dǎo)體市場(chǎng)的技術(shù)，應(yīng)用和動(dòng)態(tài)。

對(duì)于這兩種材料，仍然存在一些獨(dú)特的工程挑戰(zhàn)：

GaN非常適合中小功率，主要是消費(fèi)類應(yīng)用的氮化鎵，似乎允許高度集成，其中一個(gè)或多個(gè)電源開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)器電路一起封裝，并有可能在集成電路上創(chuàng)建電源轉(zhuǎn)換IC。單片芯片，由最先進(jìn)的8–12英寸混合信號(hào)晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認(rèn)為是一種稀有的，無(wú)毒的金屬，在硅生產(chǎn)設(shè)備中可能會(huì)作為無(wú)意的受體而產(chǎn)生副作用，因此嚴(yán)格分隔許多制造工藝步驟(如干法蝕刻，清潔或高溫工藝)仍然是關(guān)鍵要求。

此外，GaN在MO-CVD外延工藝中沉積在晶格不匹配的載體(例如SiC)上，或者沉積在較大的晶片直徑上(通常甚至沉積在硅上)，這會(huì)引起膜應(yīng)力和晶體缺陷，這主要導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，并有時(shí)導(dǎo)致災(zāi)難性事故。失敗。

GaN功率器件通常是橫向HEMT器件，其利用由肖特基型金屬進(jìn)行選通的源極和漏極之間的固有二維電子氣通道。

另一方面，SiC由硅和石墨的豐富成分組成，它們共同構(gòu)成了地殼的近30%。工業(yè)規(guī)模的單晶SiC鑄錠的增長(zhǎng)為6''提供了完善且廣泛可用的資源。早期行動(dòng)者最近已經(jīng)開(kāi)始評(píng)估8“晶圓，并且希望在未來(lái)五年內(nèi)，SiC制造將擴(kuò)展到8”晶圓生產(chǎn)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(chǎng)上的廣泛采用提供了所需的縮放效果，以降低高質(zhì)量襯底，SiC外延和制造工藝的制造成本。通過(guò)視覺(jué)和/或電應(yīng)力測(cè)試消除的晶體缺陷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，存在一些挑戰(zhàn)，這會(huì)阻止SiC FET在100-600 V之間的范圍內(nèi)與硅FET競(jìng)爭(zhēng)。

市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識(shí)到垂直供應(yīng)鏈對(duì)制造GaN和SiC產(chǎn)品的重要性。在單一屋頂下增強(qiáng)制造能力-包括晶體生長(zhǎng)，晶圓加工和拋光，外延，器件制造以及封裝專業(yè)知識(shí)，包括優(yōu)化的模塊和封裝，其中考慮了快速瞬變和熱性能或?qū)拵?WBG)器件的局限性—允許低成本以及高產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛且具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制以實(shí)現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序。硅二極管，IGBT和超結(jié)MOSFET的替代產(chǎn)品為WBG技術(shù)做好了市場(chǎng)準(zhǔn)備。在根據(jù)選擇性拓?fù)湔{(diào)整電氣性能以繼續(xù)提高電源效率方面還有更多潛力。擴(kuò)大駕駛范圍;減少重量，尺寸和組件數(shù)量;并實(shí)現(xiàn)在工業(yè)，汽車和消費(fèi)領(lǐng)域的新穎，突破性的最終應(yīng)用。

圖2：?jiǎn)螕魣D像放大。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(shí)現(xiàn)最高的功率密度和最低的重量。

能夠?qū)崿F(xiàn)快速設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵因素是精確的香料模型，其中包括熱性能和校準(zhǔn)的封裝寄生效應(yīng)(幾乎適用于所有流行的仿真器平臺(tái))以及快速采樣支持，應(yīng)用筆記，定制的SiC和GaN驅(qū)動(dòng)器IC，以及全球支持基礎(chǔ)架構(gòu)。

未來(lái)十年將見(jiàn)證另一個(gè)歷史性的變革，其中基于GaN和SiC的功率半導(dǎo)體將推動(dòng)功率電子封裝集成和應(yīng)用領(lǐng)域的根本性發(fā)明。在此過(guò)程中，硅器件將幾乎從電源開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(hù)。