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从技术角度分析,GaN和SiC功率器件上量还欠什么?

2022-03-01 16:31:49 Gina Roos 阅读:
氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种新器件正在推动电力电子行业发生重大变化,它们在汽车、数据中心、可再生能源、航空航天和电机驱动等多个行业取得了长足的进步。在由AspenCore集团举办的PowerUP Expo大会上,演讲嘉宾们深入探讨了包括GaN和SiC在内的宽禁带(WBG)器件的技术优势以及发展趋势。

氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种新器件正在推动电力电子行业发生重大变化,它们在汽车、数据中心、可再生能源、航空航天和电机驱动等多个行业取得了长足的进步。前不久在由AspenCore集团举办的PowerUP Expo大会上,演讲嘉宾们深入探讨了包括GaN和SiC在内的宽禁带(WBG)器件的技术优势以及发展趋势。EPC公司首席执行官Alex Lidow博士主持了关于GaN技术优势的辩论。据Lidow所述,电力电子技术正在复兴,GaN和SiC将成为硅MOSFET和IGBT的继任者。npVednc

在该技术会议上,Lidow讨论了GaN功率器件相对于硅(Si)器件的一些基本的散热和电气优势,以及GaN功率器件的四种主要应用——激光雷达、DC/DC转换器、电机驱动和卫星电子。他还谈到了EPC的产品战略,其中包括提高性能和集成的计划。npVednc

( 预告:在2022年4月20-21日,由AspenCore将在中国上海国际会议中心主办“2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai 2022)”,同期4月21日的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上,来自是德科技、捷捷微、R&S、PI、英诺赛科、泰克科技、必易微、EPC等行业知名厂商的专家,将会发表有关“综合数据和电源的连接与数字生活的前世,今生、未来”、“多串锂电池的高精度监控器和保护器”以及GaN功率器件等热门主题的演讲。邀您报名参加!)npVednc

关于SiC技术优势及其大规模商业化挑战的辩论,由美国北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程教授、PowerAmerica研究所执行董事兼首席技术官Victor Veliadis博士主持。他表示,硅功率器件由于其禁带宽度和临界电场相对较低,正在达到其实际限制,这会导致大量的传导损耗和开关损耗以及较差的高温性能。npVednc

Veliadis在他的技术演讲中讨论了SiC的材料特性以及SiC器件取代现有Si器件的应用潜力。他还讨论了材料和器件生产的问题,以及MOSFET的设计,这在现在绝大多数基于SiC的电力电子系统中都有所采用。npVednc

GaN:除了材料特性优势外,还更易于做集成

首先,Lidow对GaN的优势进行了讨论。npVednc

设计人员首先提出的一些问题是“什么时候适合使用GaN,它有哪些优势”,Lidow表示。尽管问这些问题很正常,但他认为最大的问题实际上是“为什么要继续使用硅”。npVednc

GaN有很多优点。“它更小、更快、更高效、成本更低,这在过去几年的市场定价中都有所反映。”Lidow表示。npVednc

然而,GaN技术有两个显著优势,就是其抗辐射性和集成度。Lidow表示:“GaN相比其他产品,定义未来电源转换的最大优势,在于它更容易集成多个功率器件。”npVednc

在对各种材料的基本半导体特性(禁带宽度、临界电场和电子迁移率)进行比较后,我们知道,GaN是一种优越的材料。“Si的禁带宽度略高于1eV,临界电子场为0.23MV/cm,而相比之下,GaN的电子迁移率和禁带宽度更大,这意味着镓原子和氮原子在晶格中的键比硅之间的更加紧密。”Lidow表示,“它与SiC非常相似,两者的禁带宽度都约为3.26eV。”npVednc

他指出,这在临界电场中有所反映,GaN的临界电场要大一个数量级以上。这意味着未来电源设备可以做得更小。npVednc

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图1:Si、GaN和SiC材料比较。(图片来源:EPC)npVednc

GaN的另一个优势是它比Si或SiC具有更好的电子迁移率,因此从根本上说,根据上述所有原因,它是一种优越的半导体,他补充说。npVednc

据Lidow所述,由于临界电场的优势,SiC和GaN的理论极限都明显优于Si,而GaN相比另外两种材料都具有优势,这源于两个因素:更高的临界电场和更好的电子迁移率。npVednc

Lidow进一步深入探讨了GaN如何使用这些特性来产生二维电子气,以及为什么这具有优势。此外,他还提到了增强型器件,例如,可以通过开发掺杂镁的GaN晶体,然后在其上生长富含受体的晶体来制造(2)。npVednc

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2:增强型eGaN FET(图片来源:EPC)npVednc

散热管理是GaN的另一个优势。Lidow表示他一直被问及如何从这些微型GaN器件中进行散热。“虽然GaN器件很小,但其导通电阻和开关损耗要低得多,因此它不会产生那么多热量,这又是一个基本优势。”Lidow说。npVednc

GaN和Si基本上受限于连接到PCB的焊点数量,以及PCB传导热量的能力,但从结点到外壳的热阻来看(这会使热量从其他方向散发出去),GaN器件的优势是硅的6倍,他补充说(3)。npVednc

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3:芯片级封装热阻。(图片来源:EPC)npVednc

“这意味着,无论是将空气吹过器件还是在顶部进行更高级的散热管理,如果有任何类型的顶部冷却,都可以获得更高的功率密度。事实上,对于相同尺寸的GaN器件(例如EPC的芯片级器件),可以获得比硅器件低10倍的热阻。”npVednc

对于GaN器件,如果管理得当,这就会转化为好一个数量级的散热机会,他补充说。npVednc

另一个大机会是集成。npVednc

“GaN本身是半绝缘的,因此在其表面制造的器件不会相互交流,除非对它们进行电气连接,因此可以在与大功率、高电压器件的同一芯片上制造小功率器件和低电压器件,”Lidow表示,“所要做的就是缩小尺寸。缩小源极到栅极的尺寸,就会得到更低电压的器件;缩小所有尺寸,就会得到更低功率的器件。”npVednc

据Lidow所述,可以添加一个额外的功率器件来创建一个单片半桥,而这在15~20V以上的硅衬底中是极其困难的。由于GaN对电压不敏感,因此可以制作一个完全单片的功率级,而将高边器件和低边器件,以及在高边的信号级器件和用于在顶层和底层之间进行通信的电平转换器件全部包含在其中,他表示。npVednc

“可以从这里开始添加传感器和控制,从而制作一个完整的片上系统,EPC多年来一直都在这样做。”Lidow表示,“七年前,我们推出了我们的第一个单片半桥,我们的器件在与FET相同的芯片上集成了驱动器,我们也实现了具有各种传感器、驱动器、电平转换器和逻辑的全单片功率级,而这在现在的DC/DC转换器、机器人和电动汽车应用中非常流行(4)。”npVednc

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4EPC电源管理IC(图片来源:EPC)npVednc

他还介绍了GaN技术从2011年到2021年所取得的进展(见5)。npVednc

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5GaN技术从2011年到2021年所取得的进展。(图片来源:EPC)npVednc

GaN正在取代硅;由于EMI、效率、成本、尺寸和集成度的改进,这个过程不会放缓,Lidow表示。npVednc

EPC下一步还将推出新的电源芯片组。第一批器件将是一款包含交叉保护、传感和逻辑的65A的功率级芯片组。“这将是我们第一款采用封装形式的器件。”他表示。npVednc

如EPC的路线图所示,预计其将于2022年第四季度发布其第6代器件并将于2024年发布多沟道高边器件(完整的片上系统器件)(6)。npVednc

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6EPC将于2022年第四季度发布第6代器件。(图片来源:EPC)npVednc

SiC:适用于哪些具体应用?Si CMOS工艺不兼容问题如何解决?

Veliadis则在其演讲中介绍了宽禁带器件的优势以及SiC的挑战和机遇。npVednc

Veliadis指出,由于SiC和GaN器件具有更高的热导率、禁带宽度(eV)和临界电场,因此它们都可以用来实现更高效、新颖的电力电子设备(7)。npVednc

宽禁带和高临界电场意味着可以让高压器件的各层做得更薄,从而降低电阻和相关的传导损耗,并实现低漏电和鲁棒的高温工作,Veliadis表示。此外,更薄的层和低比导通电阻可以实现更小的外形尺寸,从而降低电容,并实现更高频率的工作和更小的无源元件,而大热导率则可以实现在简化散热管理的情况下进行大功率工作,他指出。npVednc

“这些都是SiC和GaN的巨大优势,因此我们今天看到了它们的巨大增长。”他表示。npVednc

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7SiCGaN功率器件可以实现更高效、新颖的电力电子设备。(图片来源:PowerAmerica)npVednc

Veliadis还讨论了SiC的一些关键应用,包括汽车、信息技术、电网基础设施、电动机驱动和航空航天。npVednc

SiC的大批量应用是电动汽车(EV)大幅增长的汽车行业。“高压SiC将能解决电动汽车的一个最大的问题是,它能够在加油站为汽车加油所需的时间内为汽车充满电。”npVednc

在数据中心,散热管理则是一个大问题,因此任何能提供更高效率的技术(如SiC和GaN)都将大大有助于改进这一应用,他补充说。其他大型应用是可再生能源和电动机驱动,它们消耗了全球约50%至60%的电力。npVednc

最后但并非最不重要的是,航空航天领域正在朝着全电动飞机发展,目标是实现更高的效率以及更低的噪声和排放,他表示。npVednc

“今天的电力电子工程师有很多选择;他们可以在应用中使用Si、SiC或GaN,”Veliadis表示,“问题是‘你如何在你的应用中选用哪种类型的技术’,答案是你必须考虑你的电压要求、电流水平、频率要求、应用所需的效率、温度要求,当然还有成本方面的考虑。”npVednc

8(来源于英飞凌)阐述了不同技术所提供最大优势的领域。npVednc

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图8:不同技术所提供最大优势的领域。(图片来源:Infineon——由PowerAmerica提供)npVednc

“在较低的频率和非常高的功率下,硅是最有力的竞争者。随着频率的增加,硅的损耗变得更多,因此它不再是一个好的解决方案,而SiC在此就成为最好的解决方案。当然,在非常高的频率下,GaN则是一种出色的解决方案。”他表示,“硅在15至650V的电压范围内极具竞争力,而GaN在100至650V电压范围内极具竞争力。(他还指出,某家GaN公司已拥有900V的器件。)SiC在高电压下极具竞争力,例如,1200V、1700V和3.3kV的器件已得到市场验证,而6.5kV和10kV产品也即将被多家供应商进行发布。”npVednc

但Veliadis表示,一个巨大的竞争市场是在650V范围内,Si、GaN和SiC都在此竞争。“硅非常可靠,非常耐用,而且价格便宜并且能够提供大电流,而GaN则能以非常合理的成本提供非常高的效率。GaN也是一种CMOS兼容器件,因此它可以利用硅的规模经济优势,在大型晶圆厂中制造。碳化硅则非常高效,可在大电流和高频率下工作。”npVednc

Veliadis还深入探讨了平面型和沟槽型SiC MOSFET之间的差异。该讨论涉及迁移率、电场、漂移层、导通电阻、阻断电压能力和击穿场性能。npVednc

他还详细介绍了几个晶圆制造问题和大规模商业化之路,提供了如何解决这些挑战的技巧。总体挑战是SiC制造工艺需要投资优质工具和开发非CMOS兼容工艺。npVednc

“使SiC制造像GaN一样非常重要。”Veliadis表示,“对于SiC的情况,需要购买特定工具并开发与硅CMOS不兼容的特定工艺。我们利用了所有成熟的Si工艺,将它们成功转移到SiC,以便利用规模经济。”npVednc

然而,SiC材料的特性需要开发特定的工艺,他表示。npVednc

一些挑战包括:npVednc

  • 蚀刻——由于高温,湿法蚀刻对SiC不实用;
  • 衬底减薄以降低电阻;
  • 掺杂——传统的热扩散对于SiC也是不实用的,需要新的注入和注入退火工艺,以及使晶圆变平以减轻高温退火的影响;
  • 实现良好的欧姆接触形成,并选择与CTE匹配的金属。

其他所涵盖的挑战还包括栅极氧化物、透明晶圆、SiC晶圆缺乏平整度和绝缘电介质。最终,应对这些挑战有望产生更好的衬底、更高的可靠性、更少的缺陷、更高的耐用性和更低的成本。npVednc

据Veliadis所述,特别是当行业转向200mm晶圆时——这有望将SiC成本降低约20%甚至更多——需要能够改进这些工艺。npVednc

他估计,要使硅代工厂能够处理SiC晶圆,大约需要10至1500万美元的投资。npVednc

除了制造方面的挑战外,他还指出了供应链问题。“对于现在这个硅世界,使用SiC代工厂,你在工艺和设计上都在竞争。第二个问题是晶圆供应链是SiC的一个问题,因为它的增长速度非常快,所有公司都在寻找确保低成本、高质量衬底晶圆来源的方法。”npVednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Power Electronics News,参考链接:PowerUP EXPO 2021: Fundamentals of GaN and SiC Power Devices,由Franklin Zhao编译。)npVednc

本文为《电子技术设计》2022年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里npVednc

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