第三代半导体普及的最大瓶颈:成本

2020-09-01 14:01:17 来源: 半导体行业观察

来源:内容转载自公众号「功率半导体那些事儿——Disciples」,谢谢。


现今流行的半导体材料:Si、SiC和GaN,三兄弟在半导体界的知名度和火热度放在各类小视频软件不下于任何一个网红,只可惜现实中我们往往只是沉溺于刷“帅哥美女”。今天我们再来聊聊这三兄弟~


1.厚积薄发,应运而生


作为半导体材料“霸主“的Si,其性能似乎已经发展到了一个极限,而此时以SiC和GaN为主的宽禁带半导体经过一段时间的积累也正在变得很普及。所以,出现了以Si基器件为主导,SiC和GaN为"游击"形式存在的局面。

在Si之前,锗Ge是最早用于制造半导体器件的材料,随后Si以其取材广泛、易形成SiO2绝缘层、禁带宽度比Ge大的优势取代了Ge,成为主要的半导体材料。随着电力电子技术的飞速发展,Si基半导体器件也在飞速发展,电流、电压等级越高,芯片越薄越小、导通压降越小、开关频率越高、损耗越小等等。任何事物的发展,除了外在力的作用,自身特性也会限制发展,Si基半导体器件似乎已经到了"寸步难行"的地步。而此时,以碳化硅SiC和氮化镓GaN为主的新型半导体材料,也就是我们常说的第三代宽禁带半导体(WBG)"破土而出",以其优越的性能突破的Si的瓶颈,同时也给半导体器件应用带来了显著的提升。


相对于Si,SiC和GaN有着以下几点优势:

❶ 禁带宽度是Si的3倍左右,击穿场强约为Si的10倍;
❷ 更高的耐压能力以及更低的导通压降;
❸ 更快的开关速度和更低的开关损耗;
❹ 更高的开关频率;
❺ 更高的允许工作温度;
❻ SiC具有更高的热导率;
根据上面的优势,第三代宽禁带半导体器件,能够达到更高的开关频率,提高系统效率,同时增大功率密度等,但是目前推动的最大推动力还得看成本!

2.SiC & GaN


目前,SiC和GaN半导体器件早已进入商业化,常见的SiC半导体器件是SiC Diode、JFET、MOSFET,GaN则以HEMT(高电子迁移率晶体管)为主。

SiC半导体器件:

不同类型的碳化硅器件结构和工艺难度都不一样,一般都是依据其工艺难度依次推出的。可知,SiC Diode便是最早实现商业化碳化硅半导体器件,同时也是历经内部结构和外部封装优化最多的器件,自身耐压能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高,是目前最为成熟的SiC半导体器件。肖特基二极管SBD是最先商业化的碳化硅二极管,其具有较低的导通压降,但是反向漏电流较大,为了限制反向漏电流,结势垒控制肖特基二极管JBS应运而生;随后还有JBS和PiN结合的肖特基二极管MPS,主要都是为了平衡其正向压降和反向漏电流。碳化硅SBD的反向恢复过程很短、反向恢复损耗低,正向压降具有正温度系数,适合多管并联的应用场合,目前商用的主要为MPS二极管。

碳化硅JFET一般为常开型器件,为了实现常断,目前一般是将常开的SiC JFET和一个起控制作用的低压Si MOSFET级联成Cascode结构,即共源共栅结构。


Cascode结构的SiC JFET能够兼容原先的Si MOSFET或者Si IGBT的驱动电路,并且性能上几乎不会因为多串联了一个器件而产生影响。SiC JFET为单极型器件,没有栅氧层,工艺上比较容易实现且可靠性较高,但是对于驱动电路的控制要求较高,采用Cascode结构是一个不错的选择。

SiC MOSFET是目前倍受工业界关注的SiC半导体器件,其导通电阻小、开关速度快、驱动简单、允许工作温度高等特点,能够提高电力电子装置的功率密度和工作环境温度,适应当前电力电子技术发展的趋势,也是被认为是Si基IGBT的理想替代者(夺权时间待定)。相对而言,SiC MOSFET的工艺步骤更复杂、难度更高,制造工艺的研发时间较长,这也是为什么SiC MOSFET比前两者来得稍晚些。

SiC IGBT?前面我们也有聊到过,就应用领域的性价比来说,SiC IGBT也有,不过相对来说不会太常见。-- SiC IGBT--PET的未来?

GaN半导体器件:

氮化镓器件最接地气的就是各类手机快充,GaN器件的性能远由于Si基器件,因为GaN器件的结电容很小,开关速度非常快,能够在几纳秒内完成开关,损耗极小,使得其工作频率达到MHz级别,大大提高了系统的功率密度。GaN半导体器件主要以HEMT为主,我们也叫调制掺杂场效应晶体管MODFET,导通电阻非常小,并且不需要栅极正偏就能形成导电沟道,所以一般为常开器件。为了实现常断,一般可以采用和SiC一样的Cascode结构,还可以优化自身的栅极结构,如在栅极下方生长P+AlGaN,形成深耗尽区,在零偏压的情况下阻断沟道,实现阈值电压大于0V的目的。

虽然SiC和GaN器件已经出现商业化,但是依旧存在很多没有完全解决甚至未知的问题,未完待续。。。。。。

随着SiC和GaN的快速发展,凭借其优异的特性,在电力电子涉及的领域备受关注,不管是半导体器件的制造商,还是半导体器件的应用商,无一不将其放在心上。但除了半导体器件的发展,外部电路,如驱动电路,或者是整个电路拓扑等,也需要不断发展和优化,才能更大程度地发挥宽禁带半导体的优异性能。
虽然宽禁带半导体不再是那么触不可及,但是相对Si基而言,成本依旧是其侵占市场的一大阻碍,但大势所趋仅仅是时间问题。

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