第三代半導體普及的最大瓶頸：成本

現(xiàn)今流行的半導體材料：Si、SiC和GaN，三兄弟在半導體界的知名度和火熱度放在各類小視頻軟件不下于任何一個網(wǎng)紅，只可惜現(xiàn)實中我們往往只是沉溺于刷“帥哥美女”。今天我們再來聊聊這三兄弟~

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202009/417894.htm

1.厚積薄發(fā)，應運而生

作為半導體材料“霸主“的Si，其性能似乎已經(jīng)發(fā)展到了一個極限，而此時以SiC和GaN為主的寬禁帶半導體經(jīng)過一段時間的積累也正在變得很普及。所以，出現(xiàn)了以Si基器件為主導，SiC和GaN為"游擊"形式存在的局面。

在Si之前，鍺Ge是最早用于制造半導體器件的材料，隨后Si以其取材廣泛、易形成SiO2絕緣層、禁帶寬度比Ge大的優(yōu)勢取代了Ge，成為主要的半導體材料。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，Si基半導體器件也在飛速發(fā)展，電流、電壓等級越高，芯片越薄越小、導通壓降越小、開關頻率越高、損耗越小等等。任何事物的發(fā)展，除了外在力的作用，自身特性也會限制發(fā)展，Si基半導體器件似乎已經(jīng)到了"寸步難行"的地步。而此時，以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為主的新型半導體材料，也就是我們常說的第三代寬禁帶半導體(WBG)"破土而出"，以其優(yōu)越的性能突破的Si的瓶頸，同時也給半導體器件應用帶來了顯著的提升。

相對于Si，SiC和GaN有著以下幾點優(yōu)勢：

? 禁帶寬度是Si的3倍左右，擊穿場強約為Si的10倍；

? 更高的耐壓能力以及更低的導通壓降；

? 更快的開關速度和更低的開關損耗；

? 更高的開關頻率；

? 更高的允許工作溫度；

? SiC具有更高的熱導率；

根據(jù)上面的優(yōu)勢，第三代寬禁帶半導體器件，能夠達到更高的開關頻率，提高系統(tǒng)效率，同時增大功率密度等，但是目前推動的最大推動力還得看成本！

2.SiC & GaN

目前，SiC和GaN半導體器件早已進入商業(yè)化，常見的SiC半導體器件是SiC Diode、JFET、MOSFET，GaN則以HEMT(高電子遷移率晶體管)為主。

SiC半導體器件：

不同類型的碳化硅器件結(jié)構(gòu)和工藝難度都不一樣，一般都是依據(jù)其工藝難度依次推出的?？芍琒iC Diode便是最早實現(xiàn)商業(yè)化碳化硅半導體器件，同時也是歷經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部封裝優(yōu)化最多的器件，自身耐壓能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高，是目前最為成熟的SiC半導體器件。肖特基二極管SBD是最先商業(yè)化的碳化硅二極管，其具有較低的導通壓降，但是反向漏電流較大，為了限制反向漏電流，結(jié)勢壘控制肖特基二極管JBS應運而生；隨后還有JBS和PiN結(jié)合的肖特基二極管MPS，主要都是為了平衡其正向壓降和反向漏電流。碳化硅SBD的反向恢復過程很短、反向恢復損耗低，正向壓降具有正溫度系數(shù)，適合多管并聯(lián)的應用場合，目前商用的主要為MPS二極管。

碳化硅JFET一般為常開型器件，為了實現(xiàn)常斷，目前一般是將常開的SiC JFET和一個起控制作用的低壓Si MOSFET級聯(lián)成Cascode結(jié)構(gòu)，即共源共柵結(jié)構(gòu)。

Cascode結(jié)構(gòu)的SiC JFET能夠兼容原先的Si MOSFET或者Si IGBT的驅(qū)動電路，并且性能上幾乎不會因為多串聯(lián)了一個器件而產(chǎn)生影響。SiC JFET為單極型器件，沒有柵氧層，工藝上比較容易實現(xiàn)且可靠性較高，但是對于驅(qū)動電路的控制要求較高，采用Cascode結(jié)構(gòu)是一個不錯的選擇。

SiC MOSFET是目前倍受工業(yè)界關注的SiC半導體器件，其導通電阻小、開關速度快、驅(qū)動簡單、允許工作溫度高等特點，能夠提高電力電子裝置的功率密度和工作環(huán)境溫度，適應當前電力電子技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是被認為是Si基IGBT的理想替代者(奪權(quán)時間待定)。相對而言，SiC MOSFET的工藝步驟更復雜、難度更高，制造工藝的研發(fā)時間較長，這也是為什么SiC MOSFET比前兩者來得稍晚些。

SiC IGBT？前面我們也有聊到過，就應用領域的性價比來說，SiC IGBT也有，不過相對來說不會太常見。-- SiC IGBT--PET的未來？

GaN半導體器件：

氮化鎵器件最接地氣的就是各類手機快充，GaN器件的性能遠由于Si基器件，因為GaN器件的結(jié)電容很小，開關速度非常快，能夠在幾納秒內(nèi)完成開關，損耗極小，使得其工作頻率達到MHz級別，大大提高了系統(tǒng)的功率密度。GaN半導體器件主要以HEMT為主，我們也叫調(diào)制摻雜場效應晶體管MODFET，導通電阻非常小，并且不需要柵極正偏就能形成導電溝道，所以一般為常開器件。為了實現(xiàn)常斷，一般可以采用和SiC一樣的Cascode結(jié)構(gòu)，還可以優(yōu)化自身的柵極結(jié)構(gòu)，如在柵極下方生長P+AlGaN，形成深耗盡區(qū)，在零偏壓的情況下阻斷溝道，實現(xiàn)閾值電壓大于0V的目的。

雖然SiC和GaN器件已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化，但是依舊存在很多沒有完全解決甚至未知的問題，未完待續(xù)。。。。。。

隨著SiC和GaN的快速發(fā)展，憑借其優(yōu)異的特性，在電力電子涉及的領域備受關注，不管是半導體器件的制造商，還是半導體器件的應用商，無一不將其放在心上。但除了半導體器件的發(fā)展，外部電路，如驅(qū)動電路，或者是整個電路拓撲等，也需要不斷發(fā)展和優(yōu)化，才能更大程度地發(fā)揮寬禁帶半導體的優(yōu)異性能。

雖然寬禁帶半導體不再是那么觸不可及，但是相對Si基而言，成本依舊是其侵占市場的一大阻礙，但大勢所趨僅僅是時間問題。