功率半导体的革命:SiC与GaN的共舞(一)

2013-10-14 17:28:28来源: 互联网

功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前,功率半导体材料正迎来材料更新换代,这些新材料就是SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓),二者的物理特性均优于现在使用的Si(硅),作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将Si换成GaN或SiC等化合物半导体,可大幅提高产品效率并缩小尺寸,这是Si功率半导体元件(以下简称功率元件)无法实现的。

  目前,很多领域都将Si二极管、MOSFET及IGBT(绝缘双极晶体管)等晶体管用作功率元件,比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被GaN和SiC所替代。

  例如,SiC已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

  电能损失可降低50%以上

  利用以GaN和SiC为材料的功率元件之所以能降低电能损失,是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如,逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件,仅将二极管材料由Si换成SiC,逆变器的电能损失就可以降低15~30%左右,如果晶体管材料也换成SiC,则电能损失可降低一半以上。

  有助于产品实现小型化

  电能损失降低,发热量就会相应减少,因此可实现电力转换器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性:可进行高速开关动作和耐热性较高。

  GaN和SiC功率元件能以Si功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高,电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

  耐热性方面,Si功率元件在200℃就达到了极限,而GaN和SiC功率元件均能在温度更高的环境下工作,这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

  这些优点源于GaN和SiC具备的物理特性。与Si相比,二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

  SiC二极管率先实用化

  在GaN和SiC功率元件中,率先产品化的是SiC。尤其是SiC二极管的利用今后似会迅猛增加。

  除了2001年最初实现SiC二极管产品化的德国英飞凌科技外,美国科锐和意法合资公司意法半导体等厂商也已经推出了产品。在日本,罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管(SBD),科锐等部分企业还推出了组合肖特基结和pn结的“JBS(junction barrier schottky)构造”二极管。

  基板供求情况好转

  从事SiC二极管的企业之所以增加,是由于制作功率元件不可缺少的SiC基板的供应状况有了好转。比如,结晶缺陷减少使得SiC基板质量提高,而且基板的大口径化也有了进展。口径为4英寸的产品正逐渐成为主流。2012年还将开始样品供货6英寸产品,2013年似将有望开始量产。

  另外,基板厂商的增加引发了价格竞争,基板比以前便宜了。从事外延基板(层叠外延层)厂商的增加也降低了涉足SiC二极管业务的门槛。

  除了SiC基板的供应状况好转外,功率Si二极管“与Si晶体管相比,性能提高的余地比较小”(熟知功率元件的技术人员),这也促使用户使用SiC二极管。

  有观点认为,Si二极管虽然构造简单,但相应地“性能的提高在日益接近极限,用SiC来取代Si的趋势今后可能会增加”(上述技术人员)。

  SiC制MOSFET的普及将从沟道型产品开始

  功率元件用SiC晶体管虽已开始投产,但普及程度还不如二极管,还停留在极少数的特殊用途。这是由于SiC晶体管的制造工艺比二极管复杂,成品率低,因而价格高。并且,虽然速度在减缓,但Si晶体管的性能却一直仍在提高。与二极管相比,“还有很大的发展空间”(技术人员)。就是说,目前可以方便地使用低价位高性能的Si晶体管。

  因此,在不断降低SiC晶体管成本的同时,发挥SiC的出色材料特性,追求Si无法实现的性能,此类研发正在加速推进。

  SiC晶体管主要有MOSFET、JFET以及BJT三种。其中,最先投产的是JFET。

  JFET虽然可以降低功率损失,但基本上处于“常闭(Normally On)工作”状态(导通状态),即使不加载栅极电压也会工作。一般情况下,在大功率的电源电路上,多希望实现不加载栅极电压就不会驱动的“常开状态”。JFET也有可以实现常开工作的产品。然而,MOSFET因在原理上易于实现常开工作,因此很多企业都在致力于研发MOSFET。

  科锐(Cree)和罗姆已经投产了MOSFET。但还称不上是广泛普及。原因除了价格高外,还没有完全发挥出SiC的出色材料特性。其中导通时的损失大,为减少导通损失而降低导通电阻的研发正在进行。

  降低导通电阻的方法是采用在栅极正下方开掘沟道。目前已经投产的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时,JFET电阻会增大,导通电阻的降低存在局限性。而沟道型在构造上不存在JFET电阻。因此,适于降低沟道电阻、减小导通电阻。

  虽然沟道型可以降低导通电阻,但由于要在栅极正下方挖掘沟道,因此量产程度难于平面型。所以尚未投产。最早估计2013年罗姆等的产品将面世。

  GaN类功率元件可通过使用硅基板降低成本

  GaN在LED及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化,而功率元件用途的产品化才刚刚开始,落后于SiC。但这种情况也在变化。那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。

  GaN类功率元件之所以能够降低成本,是因为可利用价格低而口径大的硅基板。采用硅基板,可以使用6英寸以上的大口径产品。比如,美国EPC公司及美国IR就使用硅基板,通过形成外延层而推出了GaN类功率元件产品。

  对运行时导通电阻会上升的“电流崩塌”现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。以耐压为例,尽管产品一般低于200V,但也有超过了1kV的研发品。

  目前,投产GaN类功率元件的企业还很少,但预计从2012年会开始逐渐增加。而且,2015年前后,结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6英寸的GaN基板很可能会面世。如果在GaN基板上形成GaN类功率元件,便可比使用硅基板等不同种材料的功率元件更易提高电气特性。

关键字:功率  半导体  SiC  GaN

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1014/article_19973.html
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