隨著對電動汽車的需求與日俱增，對電能處理和轉換的可靠電力電子系統的需求也在增長。我們目前依賴的半導體將在未來幾年面臨短缺。在過去的幾年里，對更小、更節能設備的需求一直在上升。傳統半導體在電路性能方面面臨多重限制：這導致了寬帶隙半導體研究的興起。

使用寬帶隙半導體的技術可以滿足當今行業所需的所有需求。顧名思義，它們具有更大的帶隙，因此各種電子設備可以在高電壓、高溫和高頻率下工作。碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 是最近推出的寬帶隙半導體，它們具有更高的功率效率、更小的尺寸和重量以及更低的總體成本的優勢。因此，SiC 和 GaN 將取代硅制造的器件，因為它們有一些局限性。

為什么選擇碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）？

SiC 已被證明具有更高的輸出功率應用，這在電動汽車 （EV） 領域非常有用，因此可廣泛用于工業自動化。GaN 具有更高的開關頻率和更低的功耗。與硅相比，GaN 具有更高的電子遷移率，這使得電子在通過半導體時能夠快速移動。

寬帶隙材料的性質

寬帶隙材料具有 3eV+ 的寬帶隙，因此它成為執行高壓操作的重要特性。遷移率和飽和速度適用于場效應晶體管 （FET） 的 2D 通道中的高開關頻率。SiC 的這些規范的缺點之一是，在 SiC 接口期間，遷移率降低。在 GaN 中，二維遷移率成為可能，因為它具有高密度的二維電子氣，同時利用其壓電特性進行接口和調制摻雜。GaN FET具有各種優點，例如更高的工作頻率、更好的導熱性、更高的熔點等。

圖1：半導體材料對比分析

寬帶隙技術的成熟度

WBG 材料的基本特性可以概括為品質因數 （FOM）。對 2015 年之后制造的硅超結 MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN FET 等新型半導體器件的研究對于評估器件的成熟度和確定需要改進的領域非常有用。例如，與高壓操作和電阻功率損耗相關的參數由 Baliga FOM （B FOM ） 捕獲。這是基于一維靜電的單極器件在通態電阻奇偶校驗時的歸一化擊穿電壓。B FOM 與載流子遷移率成正比，也與單極器件（例如 MOSFET 和高電子遷移率晶體管 （HEMT））的運行有關。

寬帶隙 FET

SiC MOSFET 分為兩種結構，即 -

平面

溝

圖 2：平面 （a） 溝槽 （b）

高界面陷阱密度導致低遷移率，這限制了 R ds（on）。R ds（on）是導通電阻，這意味著它是 MOSFET 的漏極和源極之間的電阻。如果R ds（on）的值較小，則表明功率損耗較小。SiC MOSFET的范圍為1.2KV- 6.5KV，擊穿電壓為15kv。R ds（on）對于將 SiC MOSFET 用于應用目的來說太高了，所以如果我們提高溝道遷移率，實際上可以解決問題。

比較硅 （Si） 與碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN）的優缺點

圖 3：Si、SiC 和 GaN 之間的比較

GaN的局限性

盡管具有各種優勢，但在使用 GaN 時也存在一些基于可靠性的限制。一旦 GaN 的制造工藝變得更加先進，這些限制就可以消除。

一些限制包括：-

動態電阻退化：當GaN處于高開關操作狀態時，半導通狀態是由高漏極電壓和電流引起的，這會影響電路的性能。因此，會發生負電荷的俘獲。根據研究，降解是由于表面和緩沖層電荷俘獲的共同作用。

圖 4：與器件 S2 （b） 相比，器件 S1 （a） 的低摻雜碳緩沖區的厚度要小得多。在 30°C 和 150°C 之間的溫度范圍內，測量的 Rds（ON） 作為應力時間的函數。

pGaN HFET 的閾值電壓不穩定性： 這是 pGaN HFET 中的一個嚴重問題。歐姆門的性質決定了閾值電壓的不穩定性。

SiC和GaN的市場潛力

寬帶隙半導體在行業中正在迅速增加或擴展，但由于技術壁壘，它們僅限于利基市場。GaN 器件的年總收入占全球功率半導體市場的 0.1%。根據未來市場預測，未來5年年增長率將達到35%至75%。大部分收入可以來自低端市場，包括快速充電器、顯示器和數據中心在內的消費產品。

WBG Semiconductors 還可用作光伏系統的 SiC 逆變器、GaN 和 SiC 整流器、電動汽車超快速充電器的 DC/DC 轉換器。GaN 和 SiC 具有增強電力電子性能并獲得比傳統硅器件更有效輸出的潛力?？紤]到 WBG SiC 和 GaN 的局限性，與硅器件相比，還有更多的改進空間，只有在技術增強后才能實現所需的改進。與傳統的 MOSFET 相比，WBG 材料要經濟得多。隨著制造技術的改進，SiC 和 GaN 基 MOSFET 的限制將一時消除，創造更多優勢，WBG 半導體市場將迅速出現增長潛力。

審核編輯：郭婷