什么是宽带隙(WBG)?

半导体产业的发展:

到目前为止，半导体产业的发展经历了三个阶段。第一代半导体材料以Si为代表，第二代半导体材料GaAs已广泛应用于各种电子器件中。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料也称为宽能隙半导体，具有更大的能隙(> 2.2eV)，称为宽能隙(WBG)半导体，包括SiC, AlN, GaN, diamond, ZnO，其中较为成熟的是SiC和GaN。第三代半导体材料正在引发清洁能源和新一代电子信息技术的革命。无论是照明、家用电器、消费电子设备、能源汽车、智能电网，还是军事用品，都有高性能的半导体材料。巨大的需求、近期国际能源和环保问题的发酵，以及高效、高集成度电力电子应用的发展，推动了宽带隙半导体市场的快速发展。

为什么发展第三代宽带隙(WBG)?

由于近年来全球变暖和碳排放带来的环境问题日益严重，人类把节能减排、爱护地球作为共同的首要发展方向，也在逐步朝着高能效、低能耗的方向发展。

联合国宣布，为了实现将全球变暖控制在2°C以内的目标。根据目前的经济趋势，即使2050年全球变暖控制在2°C以内，二氧化碳排放量也将增加21%，而各种人类活动必须获得高达50%的额外电力。因此，对现有能源进行大幅度的改进和改善是制造业发展的趋势。

随着各国碳中和和净零排放法规的正式出台，节能减碳不再只是口号。全球企业也必须尽快开始检讨自己的节能环保相关措施，否则将影响未来的产品销售和公司的可持续商业机会。半导体元件和电子产品的制造过程和使用消耗大量的电力。即使是半导体元件的制造过程，不仅需要电力，还需要大量的清洁水，这消耗了大量的水电资源。未来必将朝着节能、可持续、绿色环保的方向发展。汽车工业大力推动电动汽车发展，可再生能源和替代能源的利用逐渐成为电力领域的关键。半导体和电子产品相关制造商也在努力减少碳排放，实现碳中和。为了帮助业界实现这些目标，化合物半导体，特别是宽带隙(WBG)器件。

半导体原料主要以生产第一代硅片为主。而目前的si基产品，由于材料的物理性能已经达到极限，不能再增加功率、减少热损失、提高速度。因此，有必要向能更好地发挥电子传输效率和低能耗的其他材料发展，并在此方面开发出高能效、低能耗的第三代宽带隙(WBG)半导体。

什么是带隙?

用量子物理理论简要地解释了能带的划分主要是低能带的价带(VB)和高能带的导带(CB)。VB和CB之间是一个所谓的带隙(BG)。

金属材料之所以能导电，主要是因为电子处于高能的CB区，并且电子可以自由流动。在室温下，半导体材料的主电子处于低能VB区，不能流动。当被加热或获得大于能隙(BG)的能量时，VB中的电子可以克服这一能垒并跃迁到CB形成导电性质。

因此，集成电路中的晶体管元件可以在施加小电压时快速打开和关闭电源。长期以来，这种具有小能隙(BG)的硅材料被广泛应用至今。但是，当工作温度高于100℃时，产品容易降解甚至失效，不能在更恶劣的环境中使用，如运输、军事、太空等工具的使用。宽带隙(WBG)材料的产生。

功率是电流和电压之间的比例关系。在Power器件的使用中，第一代半导体材料Si的能隙为1.12eV，第二代半导体通信材料GaAs的能隙为1.43eV，两者在生活中都得到了广泛的应用。使用2到30年。但是，这种低能隙材料所使用的温度、频率、功率是无法突破的，必须找到更合适的材料来替代。第三代宽带隙半导体(WBG)材料可以增加更高的工作电压，产生更大的功率，并减少能量损失。此外，与硅元件相比，体积可以大大减小。

宽禁带元件的技术优势:

热导率是影响大功率转换和电机驱动应用的另一个物理性质。部件内产生的热量需要尽可能高效地传导出去，导热系数指数表示通过材料本身的热传导效率。在这个指标中，氮化镓的导热系数略低于硅，但碳化硅的导热系数是硅的三倍，是高温应用的理想选择。

宽禁带化合物半导体的另一个重要特征是它们的导通电阻明显低于硅mosfet，这可以减少功率转换应用中的开关损耗，而其他开关损耗发生在功率转换器中。使用相关的无源元件，如电感、变压器和电容器。

此外，SiC和GaN组件的物理结构比硅组件更小、更轻，允许更紧凑、更轻的半导体组件。由于更小的芯片尺寸，元件内部电容的影响减少，这反过来又允许更高的开关频率。在相同的工作电压范围内，硅基mosfet的芯片面积约为SiC mosfet的5倍。具有上述优点，宽禁带半导体器件适用于功率转换和电机驱动应用。这些优点是相互关联的，并相互作用，以实现更节能、更紧凑和更强大的应用程序。氮化镓和碳化硅之间的差异也决定了哪种宽间隙材料更适合特定应用。

在基于GaN和SiC组件的电路中，能够在更高的开关频率下工作，可以使用更小的电感器和电容器，进一步节省PCB空间和材料清单(BoM)成本。

哪些是较好的宽间隙材料?

sic相关材料的能隙可大于3.0eV, GaN或Ga2O3的能隙也分别高达3.4eV和4.9eV, Diamond的能隙高达5.4eV。

宽间隙材料用于哪些产品?

近年来，基于Si或SiC的GaN产品相继问世。目前，市场上的快速充电器使用的是由GaN on Si材料制成的大功率(如60瓦以上)产品。由于可以大大降低温度和热效应，可以大大减少组件，并且可以使充电器的尺寸更加紧凑和紧凑。未来，移动设备、笔记本电脑等快速充电源的应用潜力无限。

目前基于硅基材料的大功率产品大多是绝缘栅双极晶体管(igbt)或金属氧化物半场效应晶体管(mosfet)。虽然传统的IGBT大功率模块可以应用到100kW以上，但速度不能提高到1MHz。虽然GaN材料可以跟上速度，但功率不能达到1kW以上，必须使用SiC材料。

半导体材料的应用与特性:

由于GaN组件在图腾柱设计方面具有绝对优势，因此GaN目前仍主要用于消费电子产品的快充相关应用，并逐渐将触角延伸到工业和汽车领域。在工业级应用中，GaN可在服务器、存储和电信设备的高端电源系统中实现更高的效率和更高的功率密度。不仅如此，在电池存储和USP逆变器中，GaN可以提高功率密度并减小输出滤波器的尺寸。伺服驱动器由于氮化镓元件改善了电流波形，从而降低了电机损耗和噪声。

实际上，在任何应用程序中，高性能意味着更高的功耗。CPU性能提高一倍，硬件设备功耗提高71%。GPU性能提升一倍，硬件功耗提升50%。GPU、CPU和内存性能的提升将导致数据中心功耗的快速增加，需要更大的冷却系统来减少发热量。处理器和内存的效率越高，硬件设备在运行时消耗的功率就越大。这也推动了对电源的需求，朝着更高的效率和功率密度发展，以及更小的尺寸和高电压。如果在数据中心架构中使用GaN，无论是12V还是新兴的48V架构，GaN玩家都可以使AC/DC电源不仅获得最佳效率，而且可以以最低的单位密度成本将尺寸减小到最小的高能量密度。与硅基组件构建的系统相比，GAN电源可以在相同的数据中心机架尺寸中容纳34台服务器，需要6个电源供电。然而，硅基组件只能容纳30台服务器，需要10个电源。

GaN组件可以比硅组件更有效地导电电子，可以承受更高的电场，并且在速度，温度和功率方面超过硅组件的性能，因此它们已被引入各种汽车和工业相关应用，例如电机。控制器、DC/DC转换器、激光雷达、车载OBC系统等。在电机控制和DC/DC转换领域，未来的路线图要求更高的功率密度。然而，对于激光雷达应用，需要实现更快的速度。

在上述所有应用中，都需要GaN和硅元件的功能和特性的战略性集成。为什么需要集成?集成可以带来许多好处，包括效率，成本，尺寸和重量，EMI等，这是传统的硅mosfet无法实现的。此外，集成GaN晶体管的性能类似于硅功率MOSFET组件，因此电力系统工程师可以利用过去的设计经验，只需最少的额外培训，即可充分利用GaN组件。宽能隙组件应用于5G通信基础设施、绿色数据中心、电动汽车和充电桩、医疗等领域。

宽间隙半导体材料的高击穿电场特性也给功率晶体的可靠性带来了挑战。为了降低电场强度以提高器件的可靠性，必须减小栅极氧化物绝缘层的厚度以降低沟道电阻值。因此，宽带隙功率器件的结构将由平面型向非对称沟槽型或双沟槽型发展。

由于通道电阻与扩散层的分布密切相关，因此获取扩散层的相关信息是功率晶体设计工程师的一项重要任务。扩散层分析方法采用先进的场发射扫描电子显微镜(FESEM)提供高精度、高分辨率和高稳定性的结果。通过截面结构观察、扩散层分析以及SE、CL、TEM等工具，可以快速识别材料缺陷的微观结构和缺陷分析方法，帮助开发人员对半导体材料的宽能隙有更清晰的认识。

SiC和GaN将来会取代硅元件吗?业内预计，这三家公司将共存。硅、碳化硅和氮化镓有其独特的优势，是目前任何材料都无法替代的。例如，硅基组件的单价低，产量大。因此，在选择使用哪种元件时，应从应用的需要中找到合适的半导体材料。

新材料衍生测试的新挑战

在全球倡导环保和节能的趋势下，宽禁带半导体在一段时间内变得突出，使该行业能够顺利应对随之而来的各种法规。这也给功率半导体测试带来了新的挑战。由于具有高电子迁移率和高击穿电压的特点，更适合在高功率、高频率下工作，因此宽能隙半导体是未来半导体的重要发展趋势之一。从SiC和GaN功率模块内部结温的变化，以及在各种应用、模块、器件、变换器等层面来看，采用SiC和GaN所带来的变化将带来新的技术挑战。因此，对SiC和GaN等宽禁带半导体制成的功率元件和系统进行有效的测试将是该行业在市场上取得成功的关键。

宽带隙半导体功率器件涉及导通、关断、电容电压、动态特性等多种测量，需要电压、电流偏置以及电压、电流测量来充分揭示器件的状态和特性。除了动态特性外，关键的静态参数测试对于避免整个系统出现问题也很重要。因此，除了选择合适的测试仪器外，还需要专业的测试软件来全面验证宽带隙半导体元件创建的系统是否万无一失。