在技術會議上，Lidow 討論了 GaN 功率器件相對于硅 (Si) 等效器件的一些基本熱和電氣優勢，以及 GaN 功率器件的四大應用——激光雷達、DC/DC 轉換器、電機驅動器和衛星電子設備. 他還談到了 EPC 的產品戰略，其中包括提高性能和集成度的計劃。

關于 SiC 基本原理的辯論由北卡羅來納州立大學電氣和計算機工程教授、PowerAmerica 執行董事兼首席技術官 Victor Veliadis 博士進行。他說，Si 功率器件正在達到其實際限制，因為它們的帶隙和臨界電場相對較低，導致大量的傳導和開關損耗以及較差的高溫性能。

Veliadis 在他的技術演講中討論了 SiC 的材料特性以及 SiC 器件取代其現有 Si 器件的應用潛力。他還討論了材料和器件生產的問題，以及 MOSFET 的設計，現在絕大多數基于 SiC 的電力電子系統都采用了這些問題。

氮化鎵的基本原理

以下是 Lidow 演講的重點，首先討論 GaN 的優勢。

Lidow 說，設計人員首先提出的一些問題是“什么時候適合使用 GaN 以及有哪些優勢”。雖然這些問題是恰當的，但他說最大的問題實際上是“為什么要繼續使用硅”。

Lidow 說，GaN 有很多優點。“它更小、更快、更高效、成本更低，這在過去幾年的市場定價中得到了體現。”

然而，GaN 技術的兩個顯著優勢是其抗輻射性和集成度，Lidow 說。“與 GaN 相比，定義功率轉換未來的最大優勢是更容易集成多個功率器件。”

在基本半導體特性（帶隙、臨界電場和電子遷移率）的材料比較中，GaN 被證明是一種優異的材料。“Si 的帶隙略高于一個電子伏特，臨界電子場為 0.23 MV/cm，而 GaN 的電子遷移率和帶隙更寬，這意味著鎵和晶格中的氮原子比硅之間的多，”Lidow 說。“它與 SiC 非常相似，兩者的帶隙都約為 3.26，”Lidow 說。

他指出，這反映在臨界電場中，GaN 的臨界電場要大一個數量級以上。這意味著未來的電源設備可以做得更小。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：EPC）

他補充說，GaN 的另一個優點是它比 Si 或 SiC 具有更好的電子遷移率，因此由于所有這些原因，它是一種從根本上優越的半導體。
Lidow 表示，由于臨界電場優勢，SiC 和 GaN 都明顯優于 Si 的理論局限性，而 GaN 具有優于所有這些的基本優勢，這源于兩個因素：更高的臨界電場和更好的遷移率.

Lidow 進一步深入探討了 GaN 如何使用這些特征來創建二維電子氣以及為什么這具有優勢。此外，他還提到了增強型器件，例如可以通過開發摻雜鎂的 GaN 晶體，然后在頂部生長富含受體的晶體來制造。

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熱管理是 GaN 的另一個優勢。Lidow 一直被問及如何從這些微小的 GaN 器件中散熱。“它們很小，但它們的導通電阻和開關損耗要低得多，所以它不會產生那么多的熱量，但有一個基本的優勢。”

GaN 和 Si 基本上受到撞擊 PC 板的焊點數量的限制，并且受到 PC 板將熱量帶走的能力的限制，但要考慮結到外殼的熱阻，這會在其他各個方向散發熱量，GaN 器件比硅具有 6 倍的優勢，他補充道。

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“這意味著如果你有任何類型的頂部冷卻，無論是在設備上吹氣還是在頂部進行更復雜的熱管理，你都可以獲得更高的功率密度。事實上，對于相同芯片尺寸的 GaN 器件（EPC 芯片級器件），您可以獲得大約低 10 倍的熱阻，然后您就可以獲得硅器件。”

他說，如果管理得當，這會轉化為一個數量級的 GaN 器件更好的散熱機會。

另一個重大機遇是整合。

“GaN 本身是半絕緣的，因此在表面上制造的設備不會相互通信，除非您將它們進行電氣連接，因此您可以在同一芯片上制造低功率設備和低電壓設備作為高功率、高-電壓裝置，”利多說。“你所要做的就是縮小尺寸。縮小源極到柵極的尺寸，你會得到一個電壓更低的器件；縮小所有尺寸，你會得到一個更低功率的設備。”

根據 Lidow 的說法，可以添加額外的功率器件來創建單片半橋，這在 15-20 伏以上的硅中是極其困難的。由于 GaN 對電壓不敏感，因此您可以擁有一個帶有高邊和低邊器件的完全單片功率級，以及一個位于高邊的信號電平器件和一個電平轉換器件，用于在頂部和底部之間進行通信。他說，底層。

“您可以從這里開始添加傳感器和控制并制作完整的片上系統，EPC 多年來一直在這樣做，”Lidow 說。“我們在七年前推出了我們的第一個單片半橋，我們的設備在與 FET 相同的芯片上有驅動器和一個全單片功率級，它具有各種傳感器、驅動器、電平轉換器和邏輯，現在非常流行在 DC/DC 轉換器、機器人和電動汽車應用中。”

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他還介紹了自 2011 年至 2021 年 GaN 技術取得的進展（見下圖）。

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Lidow 說，GaN 正在取代硅，而且由于 EMI、效率、成本、尺寸和集成度的改進，它不會放慢速度。

EPC 的下一步將是新的電源芯片組，它將在大約兩周內推出。第一批設備將是一個 65 安培的功率級芯片組，包括交叉保護、傳感和邏輯。“這些將是我們第一批采用封裝形式的設備，”他說。

EPC 路線圖中的主要亮點是 Gen 6 器件，預計將于 2022 年第四季度發布，多通道高端器件（全片上系統器件）將于 2024 年發布。

碳化硅的基本原理

以下是 Veliadis 演講的亮點。他介紹了 WBG 器件的優勢以及 SiC 的挑戰和機遇。

Veliadis 指出，由于 SiC 和 GaN 器件具有更高的熱導率、能隙 (eV) 和臨界電場，因此它們都可以實現更高效、更新穎的電力電子設備。

Veliadis 說，大帶隙和臨界電場允許具有更薄層的高壓器件，從而導致更低的電阻和相關的傳導損耗、低泄漏和穩健的高溫操作。此外，更薄的層和低比導通電阻允許更小的外形尺寸，從而降低電容，實現更高頻率的操作和更小的無源元件，并且大熱導率允許通過簡化的熱管理實現高功率操作，他說。

“這些是 SiC 和 GaN 的巨大優勢，并導致了我們今天看到的大規模增長，”他說。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：PowerAmerica）

<>Veliadis 還討論了 SiC 的一些關鍵應用，包括汽車、信息技術、電網基礎設施、電動機驅動器和航空航天。

他說，碳化硅的數字應用是電動汽車（EV）大幅增長的汽車行業。“高壓碳化硅將解決電動汽車的最大問題之一，即在加油站完成類似事情所需的時間內為汽車充電的能力。”

他補充說，在數據中心，熱管理是一個大問題，因此任何提供更高效率的技術（如 SiC 和 GaN）都將大大有助于改進該應用。其他重要的應用是可再生能源和電動機驅動器，它們消耗了全球約 50% 到 60% 的電力。

他說，最后但并非最不重要的是，航空航天業正朝著全電動飛機發展，其目標是實現更高的效率以及更低的噪音和排放。

“今天的電力電子工程師有多種選擇；他們可以在應用中使用 Si、SiC 或 GaN，”Veliadis 說。“問題是‘您如何選擇在您的應用中使用哪種類型的技術’，答案是您必須考慮您的電壓要求、電流水平、頻率要求、您的應用所需的效率、溫度要求，當然還有成本考慮。”

下面的英飛凌圖表顯示了不同技術提供最大優勢的領域。

單擊以獲取更大的圖像。（來源：英飛凌，PowerAmerica 提供）

“在較低頻率和非常高的功率下，硅是最有力的競爭者，隨著頻率的增加，硅會變得更有損GaN 是一個極好的解決方案，”他說。“硅在 15 至 650 V 的電壓范圍內極具競爭力，而 GaN 在 100 至 650 V 的電壓范圍內極具競爭力。[他還指出，一家 GaN 公司擁有 900-V 器件。] SiC 在 1200 V 和 1700 V 等高電壓下極具競爭力V 和 3.3 kV 器件已經過演示，并且幾家供應商以及 6.5 kV 和 10 kV 器件即將作為產品發布。”

但 Veliadis 表示，650V 范圍內是一個巨大的戰場市場，Si、GaN 和 SiC 都在該范圍內展開競爭。“硅非常可靠，非常堅固，而且價格便宜且能夠提供高電流，而 GaN 以非常合理的成本提供非常高的效率。GaN 也是一種 CMOS 兼容器件，因此它利用了硅的規模經濟，并在大型晶圓廠制造。SiC 非常高效，可在高電流和高頻率下運行。”

Veliadis 還深入探討了平面和溝槽 SiC MOSFET 之間的差異，他將其稱為電力電子的主力軍。討論涉及遷移率、電場、漂移層、導通電阻、阻斷電壓能力和擊穿場性能。

他還詳細介紹了幾個晶圓制造問題和大規模商業化之路，提供了有關如何解決這些挑戰的技巧。總體挑戰是 SiC 制造工藝需要投資選擇工具和非 CMOS 兼容工藝的開發。

“與 GaN 非常相似的 SiC 制造非常重要，”Veliadis 說。“就 SiC 而言，您需要購買特定工具并開發與硅 CMOS 不兼容的特定工藝。我們利用了所有成熟的 Si 工藝，這些工藝已成功轉移到 SiC 以利用規模經濟。”

然而，碳化硅材料特性需要開發特定的工藝，他說。

一些挑戰包括蝕刻 - 由于高溫，濕法蝕刻對 SiC 不實用；基板減薄以降低電阻；摻雜——傳統的熱擴散對 SiC 也不實用，需要新的注入和注入退火工藝，以及平整晶圓以減輕高溫退火的影響；實現良好的歐姆接觸形成，并選擇 CTE 匹配的金屬。

涵蓋的其他挑戰包括柵極氧化物、透明晶圓、碳化硅晶圓缺乏平整度以及絕緣電介質。最終，應對這些挑戰有望產生更好的基板、更高的可靠性、更少的缺陷、更高的堅固性和更低的成本。

根據 Veliadis 的說法，當行業轉向 200 毫米晶圓時，尤其需要能夠改進這些工藝，這些晶圓有望將 SiC 成本降低約 20% 或更多。

他估計，要使一家硅代工廠能夠加工 SiC 晶片，大約需要 10-1500 萬美元的投資。

除了制造挑戰之外，他還指出了供應鏈問題。“對于使用 SiC 代工廠的硅世界，您在工藝和設計方面都處于競爭狀態，第二個問題是晶圓產能供應鏈是 SiC 的一個問題，因為它增長非常快，所有公司都在尋找獲取低成本、高質量襯底晶圓來源的方法。

審核編輯：郭婷