概要
SiC和GaN的未来在许多应用领域都很有希望，但最明显的是汽车电池管理，因为这些材料可以处理高电压。一旦器件表征和建模支持得到改善，成本将进一步下降，两种宽带隙材料有望进入更多的应用。
市场前景
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）在电力电子领域越来越受欢迎，特别是在汽车应用中，随着体积的扩大，降低了成本，并增加了对设计、验证和测试这些宽带隙器件的更好工具的需求。事实证明，SiC和GaN在电动汽车电池管理等领域都至关重要。它们可以处理比硅高得多的电压，并且它们在安全关键型应用中的实用性也引起了其他领域的关注。
"特别是SiC，它提供了更高速的开关，这使得电池管理成为其杀手级应用，"西门子EDA汽车测试解决方案经理Lee Harrison说。"承受高电压的能力使其成为电动汽车中稳压器的理想选择。
研究人员花了几十年的时间研究SiC和GaN并对其进行工业化，意法半导体（STMicroelectronics）和英飞凌（Infineon）等芯片制造商提高了产量并降低了缺陷率，使这些技术现在可以用于商业用途。
意法半导体（STMicroelectronics）功率晶体管事业部营销人员Gianfranco Di Marco指出，"这些宽带隙半导体最近越来越受到关注，因为我们作为一个行业，在工业化和制造方面做得更好，并指出这些宽带隙化合物半导体材料的电场强度和热性能。"在一系列重要应用中成功采用产品，例如牵引逆变器，OBC（车载充电器），DC-DC，电动汽车充电站，以及SiC的充电基础设施以及GaN消费电子产品中的功率转换器，已经认可了进展。由于SiC和GaN在多种应用中都比传统硅具有更高的能效优势，因此它们引起了更多的关注。
GaN在支持RF的商业系统（如5G）和用于高级驾驶员辅助系统（ADAS）的雷达方面也越来越受欢迎。"根据这些高频系统所需的功率要求，GaN由于其性能而成为占主导地位的半导体，其中包括功率，线性度和功率增加效率，"Cadence高级产品营销经理David Vye说。目前，GaN MMIC和分立器件广泛应用于RF功率放大器和低噪声放大器。
与此同时，SiC MOSFET可用于充电站，这将成为BEV和插电式混合动力车全球基础设施的支柱。"碳化硅在汽车应用中的部署也有助于解决工业领域的其他应用领域，同时帮助设计人员构思未来几代用于太空和航空电子应用的SiC和GaN产品，"Di Marco说。"SiC MOSFET和GaN HEMT在很大程度上是互补的，因为它们中的每一个都适用于不同的应用。电动汽车现在正受益于两者的大规模采用，SiC MOSFET及其在650V至1，700V电压范围内工作的能力是牵引逆变器，DC-DC转换器和车载充电器的理想选择。
另一方面，GaN的工作电压从900V低至100V。最终，随着它的成熟和具有成本效益，GaN由于其更高的频率能力，也可能成为后两种应用的宝贵技术。
SiC 和 GaN 技术优势
作为宽带隙技术，SiC 和 GaN 都可以在不牺牲性能的情况下在更高的电压下工作。
"它们可以更安全地处理更高的温度，并且可以在更高的频率下工作，"Vye说。"它们的物理和电气特性使其能够达到无与伦比的小型化、可靠性和功率密度水平。这些都是要求苛刻的应用的必要功能，例如电动汽车，逆变器和充电器，数据中心转换器和工业驱动器，仅举几例。这两种材料还有助于解决被广泛争论的环境问题，这些问题受到关注，以推动政府对能源未来的政策。
Vye指出，GaN和SiC还可以承受比硅和III-V器件更高的电场，这意味着它们可以处理比竞争技术更高的功率密度和工作温度。"此外，GaN还具有许多技术优势，例如更高的输出阻抗。这使得功率放大器和功率组合的阻抗匹配更容易，从而在许多RF功率应用中实现更广泛的频率覆盖范围和更高的适应性。
因此，基于GaN微波单片IC（MMIC）的功率放大器已被开发用于各种系统，例如基础设施设备，导弹防御和雷达。
同时，宽带隙器件通常具有10倍的电击穿场强和3倍的带隙，使它们能够在比常规硅技术高得多的温度下工作，这使得它们非常适合功率调节和管理，Harrison说。
SiC和GaN的设计和制造挑战
尽管有这些优势，但仍然存在技术障碍 - 新技术经常出现这种情况。
"意法半导体在技术方面着眼长远，并愿意投资克服这些障碍，因为我们认为技术潜力巨大，"Di Marco说。"对于SiC来说，在我们25年的旅程中，有太多的挑战需要一一列举。一个是SiC在专用设备中需要更高的加工温度，我们必须开发能够在这些温度下制造的工艺。
对于GaN来说，最大的问题与技术的成熟度和充分了解故障机制有关，以便进行有效的筛选以隔离有缺陷的设备。"我们非常关注GaN的工业化过程和有效的筛选方法，以确保最高水平的可靠性，"DiMarco说。"结合分立式产品STPOWERGaN，我们还为在电路中采用GaN的工程师确定了更大的设计挑战。这些挑战促使我们开发MASTERGAN和STi2GAN产品，我们将驱动器、GaN功率器件和（可选）BIPOLAR/CMOS/DMOS逻辑控制结合在单个芯片或封装中。
由于它们是高功率器件，因此GaN和SiC器件都会消耗大量的热能，从而提高其工作温度。
"较高的工作温度会影响RF性能并威胁放大器的可靠性，因为半导体器件的平均故障时间（MTTF）与通道温度直接相关，"Vye说。"RF设计人员越来越需要访问可能的工作温度，以便做出关键的设计决策并确保正确的散热策略。传统上，热分析可能由机械工程师使用RF设计人员提供的数据进行，或者设备将在实验室中使用红外（IR）传感器等设备制造并测量其工作温度。
可以使用新的热分析工具，其中一些直接在RF电路设计环境中使用。例如，Cadence流使用定义MMIC结构的几何和材料数据以及来自非线性电路仿真的功耗数据，使用有限元分析（FEA）求解器计算产生的散热。这使得RF设计人员能够在RF性能优化的同时解决热设计问题。
宽带隙器件的设计考虑因素
尽管如此，从设计方面来看，需要认识到SiC和GaN器件具有与硅器件不同的特性。
"控制这些设备（即栅极驱动）的方式是不同的，"英飞凌科技集团开关电源和电池应用系统应用工程总监George Liang说。"当您尝试为特定应用实施解决方案时，您需要查看设备在过渡期间的工作方式。宽带隙器件与传统硅技术之间存在显着差异，因为开关损耗有很大不同。切换可能略有不同。为了最大限度地发挥使用宽带隙设备的优势，您确实需要学习如何控制此设备上的开关。
"如果你看看今天设计和制造宽带隙器件的成本，它们仍然远远高于硅MOSFET，"梁说。"它正在逐渐降低，但这需要时间。如果你有一个你认为需要立即完成的设计，并且认为产品窗口不会持续很长时间，那么工程团队需要考虑产品何时推出。但从长远来看，他们需要考虑哪些行业趋势推动了需求，以确定现在设计它是否有意义，或者等待几年，直到设备技术成熟并从多个供应商处获得。
另一个考虑因素是，改用宽带隙器件是否会有所帮助。"硅MOSFET就足够了吗？这是一个更好的选择，因为给定的应用程序有这么多供应商可用吗？例如，如果尺寸不是头号问题，那么为什么不考虑氮化镓器件呢？您能否使用较新的交换机基础架构，同时仍能获得高效率？如果我需要多个源，那么硅MOSFET是一个更好的选择，因为它们在市场上更容易获得。因此，这取决于具体的应用用例，"Liang说。
图 1：汽车碳化硅 MOSFET。资料来源：英飞凌
然后，从设计工具的角度来看，SiC和GaN器件需要一些更新。
"由于硅MOSFET技术已经存在了很长时间，因此有更多的仿真模型可用，"他指出。"此外，设计工程师需要有关如何使用该设备的应用指南来设计它们。大多数开发新型宽带隙器件的公司都使用参考设计和仿真板，因此情况正在变得越来越好。建模方面是问题所在。还有很长的路要走。人们需要了解宽带隙器件在所有条件下的开关行为。要在任何条件下工作的模型中捕获这一点需要一些时间，但这会发生。我预计在几年内，这些材料将更容易使用。
相比之下，几乎所有这些都已针对标准硅器件反复解决。"碳化硅器件自然的控制方式与传统的MOSFET非常相似，因此如何驱动碳化硅可以非常相似，"Liang说。"但你仍然需要控制电压。从用户的角度来看，随着时间的推移，我希望半导体制造商提供更好的设计工具、参考设计和仿真模型，以解释参考设计。它将逐渐发生。
测试挑战
另一个问题涉及测试。GaN和SiC的缺陷密度仍然更高，这使得高覆盖率至关重要 - 特别是当它们用于汽车或其他安全关键型应用时。
"每个人都熟悉这些设备的硅生命周期图，以确保我们看不到早期寿命故障，这将导致由于潜在故障而导致早期客户退货，"哈里森说。"这些设备的制造商会进行压力测试，以确保在设备中的任何潜在故障最终进入车辆之前被发现。对于这项技术，压力测试期可能相当广泛 - 比普通硅长很多倍。SiC和GaN技术面临的挑战之一是低温操作，这可能会影响器件的使用寿命。很多风险可以通过广泛的测试来消除。测试的差异更多地是由于应用测试程序的条件，而不是运行的测试类型。
结论
SiC和GaN的未来在许多应用领域都很有希望，但最明显的是汽车电池管理，因为这些材料可以处理高电压。一旦器件表征和建模支持得到改善，成本将进一步下降，两种宽带隙材料有望进入更多的应用。
引用和致谢
全文翻译自Semiconductor Engineering，请阅读英文原版。
感谢原作者的付出，所有版权归原作者所有。
