什么是宽带隙(WBG)?

半导体产业的发展:

到目前为止，半导体产业经历了三个发展阶段。以Si和GaAs半导体材料为基材的第一代和第二代半导体已广泛应用于各种电子器件中。第三代半导体使用的材料比Si和GaAs具有更大的能隙，因此被称为宽能隙(WBG)半导体。这些包括使用SiC, AlN, GaN，金刚石或ZnO作为基材的半导体。其中较为成熟的是SiC和GaN。第三代半导体材料正在引起清洁能源和电子信息技术发展的一场革命。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，都是由高性能半导体材料制成的。巨大的需求、国际上对能源和环境保护问题的关注以及高效、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)?

由于全球变暖和碳排放导致的环境问题日益严重，人们将节能减排、关爱地球作为共同的目标，旨在逐步提高能源效率，降低能源消耗。

联合国宣布了将全球变暖控制在2°C以内的目标。预计电力需求也将增加50%。因此，为了实现这一目标，提高能源的生产和利用是制造业的一个重要趋势。

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。除了电力，它还使用大量的清洁水。未来将更加注重节能、可持续发展、绿色环保。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)器件正在积极发展。

什么是带隙?

带隙(BG)是指电子在原子中所能占据的带的划分。在价带(VB)中，电子处于低能带，不能迁移到相邻的原子上。当对材料施加能量时，电子会跳到更高能级的能带，称为传导带(CB)，在那里可以迁移到相邻的原子上。VB和CB之间的能量差就是所谓的带隙(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。当施加足够的热量或能量时，VB中的电子可以克服这种能隙屏障并过渡到CB以产生导电特性。

因此，当施加一个小电压时，集成电路中的晶体管元件可以快速地接通和关闭电源。长期以来，这种具有小能隙(BG)的硅材料得到了最广泛的应用。但是，当工作温度高于100℃时，产品容易降解甚至失效。因此，它们不能在更恶劣的环境中使用，例如在运输、军事或空间应用中遇到的环境。

第一代半导体材料Si的带隙为1.12eV。第二代GaA带隙为1.43eV。虽然两者都被广泛使用，但它们的低能量间隙限制了它们在更高频率应用中的使用，或者在更高电压的情况下，热量可以产生更高的温度操作条件。需要更合适的材料来代替它们。新开发的第三代宽带隙半导体(WBG)材料可以在更高的工作电压下使用，并减少能量损失。与硅元件相比，它们的尺寸也大大减小了。

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。虽然氮化镓的导热速度比硅稍慢，但碳化硅的导热效率是硅的三倍，使其成为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。这使得它们非常适合用于电感、变压器和电容器。

SiC和GaN组件的物理结构比硅组件更小、更轻，从而可以实现更紧凑、更轻的半导体组件。在相同的工作电压范围内，硅基mosfet所需的晶片面积约为SiC mosfet的5倍。由于尺寸较小，元件内部电容的影响减小，从而允许更高的开关频率。

通过使用GaN和SiC组件，电路可以在更高的开关频率下工作，从而使用更小的电感和电容器，进一步节省PCB空间和材料成本。

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和Ga2O3的能隙分别为3.4eV和4.9eV, Diamond的能隙为5.4eV。

宽间隙材料用于哪些产品?

近年来，多种基于Si或SiC的GaN产品相继问世。用于高功率(60瓦或以上)产品的快速充电器由GaN on Si材料制成。由于热效应大大降低，它们的尺寸可以显著减小，使充电器更加紧凑。未来，移动设备、笔记本电脑等快速充电设备的应用潜力无限。

目前，用硅基材料制成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于100kW以上的应用，但其速度不能超过1MHz。虽然GaN材料可以满足速度要求，但功率不能超过1kW，所以必须使用SiC材料。

半导体材料的应用与特性:

GaN广泛应用于需要快速充电的主要消费电子产品中，并逐步扩展到工业和汽车领域。在工业级应用中，GaN用于服务器、存储和电信设备的高端电源系统。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。在伺服驱动器中，它们可以提高电机功率并降低噪声。

在几乎所有的应用中，高性能意味着在更高的功耗下使用。cpu的性能提高了一倍，硬件设备的功率容量提高了71%。GPU性能提升一倍，硬件功率容量提升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，需要更大的散热系统来散热。这也推动了对电源的需求，以发展更高的效率和功率密度，以及更小的尺寸和更高的电压。硅基电源只能容纳30台服务器，需要10个电源，而GaN电源可以容纳34台服务器，需要6个电源。

GaN组件比硅组件更有效地传导电子，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。它们已被引入各种汽车和工业相关应用，如电机、控制器、DC/DC转换器、激光雷达、车载充电器(OBC)系统等。在电机控制和DC/DC转换应用中，未来将需要更高的功率密度，但对于激光雷达应用，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、尺寸和重量等，这是传统硅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、电动汽车和充电站、医疗等领域。

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

宽带隙半导体给功率半导体测试带来了新的挑战。由于这些材料具有高电子迁移率、高击穿电压、内部结温变化等特点，在测试和质量控制方面将面临新的技术挑战。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测试将是该行业成功的关键。

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。