GaN、SiC元件推動電力電子產業變革
作者 : Gina Roos，Electronic Products主編
在由AspenCore集團舉辦的PowerUP Expo大會上，來自業界的演講嘉賓深入探討了推動電力電子技術變革的寬能隙(WBG)元件…
在由AspenCore集團舉辦的PowerUP Expo大會上，來自業界的演講嘉賓深入探討了包括氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)的寬能隙(WBG)元件之基礎知識。GaN和SiC這兩種新元件正在推動電力電子產業發生重大變化，從汽車、資料中心、再生能源、航太和馬達驅動等多個產業取得了長足的進步。
EPC執行長Alex Lidow主持了關於GaN基礎知識的討論。據Lidow描述，電力電子技術正在復興，GaN和SiC將成為矽MOSFET和IGBT的後繼者。
在該技術會議上，Lidow討論了GaN功率元件相對於矽(Si)元件的一些基本的散熱和電氣優勢，以及GaN功率元件的四種主要應用——光達(LiDAR)、DC/DC轉換器、馬達驅動和衛星電子。他還談到了EPC的產品策略，包括提高性能和整合的計畫。
關於SiC基礎知識的辯論，由美國北卡羅萊納州立大學(NC State University)電氣和電腦工程教授、PowerAmerica執行董事兼技術長Victor Veliadis主持。他表示，矽功率元件由於其能隙寬度和臨界電場相對較低，正逐漸達到其實際限制，從而可能導致大量的傳導和開關損耗以及較差的高溫性能。
Veliadis在其技術演講中討論了SiC的材料特性以及SiC元件取代現有Si元件的應用潛力。他還討論了材料和元件生產的問題，以及MOSFET的設計，這已經被現在絕大多數基於SiC的電力電子系統採用了。
氮化鎵的基礎知識
首先，Lidow對GaN的優勢進行了討論。設計人員首先提出的一些問題是「什麼時候適合使用GaN、它有哪些優勢等等」，其中，Lidow表示，最大的問題實際上是「為什麼要繼續使用矽？」
GaN有很多優點。「它更小、更快、更高效、成本更低，這已反映在過去幾年的市場定價中。」然而，Lidow表示，GaN技術有兩個顯著優勢，就是其抗輻射性和整合度。「相較於其他產品，GaN定義未來電源轉換的最大優勢在於它更容易整合多個功率元件。」
在對各種材料的基本半導體特性(能隙寬度、臨界電場和電子遷移率)進行比較後可知，GaN是一種優越的材料。Lidow說：「Si的能隙寬度略高於1eV，臨界電子場為0.23MV/cm，相形之下，GaN的電子遷移率和能隙寬度更大，這意味著鎵原子和氮原子在晶格中的鍵合比矽之間更加緊密。它與SiC非常相似，兩者的能隙寬度都約為3.26eV。」
他指出，這可反映在臨界電場中，GaN的臨界電場更大一個數量級以上。這意味著未來的電源裝置可以做得更小。
圖1：Si、GaN和SiC的材料比較。(圖片來源：EPC)
GaN的另一個優勢是它比Si或SiC具有更好的電子遷移率，使其根本上就是一種優越的半導體。他補充說。據Lidow所述，由於臨界電場的優勢，SiC和GaN的理論極限都明顯優於Si，而GaN比起另外兩種材料也更具有優勢，原因就在於其更高的臨界電場和更好的電子遷移率。
Lidow進一步探討GaN如何使用這些特性來產生二維電子氣，以及為什麼這具有優勢。此外，他還提到了增強型元件，例如，可以透過開發摻雜鎂的GaN晶體，然後在其上生長富含受體的晶體來製造(圖2)。
圖2：增強型eGaN FET。(圖片來源：EPC)
熱管理是GaN的另一個優勢。Lidow表示他一直被問及如何從這些微型GaN元件中進行散熱。「雖然GaN元件很小，但其導通電阻和開關損耗要低得多，因此它不會產生那麼多熱量，這又是一個基本優勢。」
GaN和Si基本上受限於連接到PCB的焊點數量，以及PCB傳導熱量的能力，但從接面到外殼的熱阻來看(這會使熱量從其他方向散發出去)，GaN元件的優勢是矽的6倍，他補充說(圖3)。
圖3：晶片級封裝熱阻。(圖片來源：EPC)
「這意味著無論是將空氣吹過元件還是在頂部進行更先進的散熱管理，如果有任何類型的頂部冷卻，都可以獲得更高的功率密度。事實上，對於相同尺寸的GaN元件(例如EPC的晶片級元件)，可以獲得比矽元件低10倍的熱阻。」如果對於GaN元件管理得當，這就會轉化為更好一個數量級的散熱機會，他補充說。
另一個重大機會是整合。「GaN本身是半絕緣的，因此在其表面製造的元件不會相互交流，除非對它們進行電氣連接，因此可以在與大功率、高電壓元件的同一晶片上製造小功率元件和低電壓元件。Lidow表示，「所要做的就是縮小尺寸。縮小源極到閘極的尺寸，就會得到更低電壓的元件；縮小所有尺寸，就會得到更低功率的元件。」
據Lidow所述，可以添加一個額外的功率元件來創建一個半橋單晶片，而這在15~20V以上的矽襯底中是極其困難的。由於GaN對電壓不敏感，因此可以製作一個完全單晶片的功率級，而將高側元件和低側元件，以及在高側的訊號級元件和用於在頂層和底層之間進行通訊的電平轉換元件全部包含在其中，他表示。
「你可以從這裡開始添加感測器和控制，從而製作一個完整的SoC，EPC多年來一直都在這樣做。」Lidow表示，「七年前，我們推出了第一個半橋單晶片，將讓元件在與FET相同的晶片上整合驅動器，也實現了具有各種感測器、驅動器、電平轉換器和邏輯的全單片功率級，這已普遍用於現在的DC/DC轉換器、機器人和電動車應用中(圖4)。」
圖4：電源管理IC (量產中)。(圖片來源：EPC)
他還介紹了GaN技術從2011年到2021年所取得的進展(見圖5)。
圖5：GaN技術從2011年到2021年所取得的進展。(圖片來源：EPC)
GaN正在取代矽；由於EMI、效率、成本、尺寸和整合度的改進，這個過程並不會放緩，Lidow表示。
接下來，EPC還將推出新的電源晶片組。第一批元件將是一款包含交叉保護、感測和邏輯的65A功率級晶片組。他指出，「這將是我們第一款採用封裝形式的元件。」
如EPC的開發藍圖所示，2022年第四季將發佈其第6代元件，並將於2024年發佈多通道高側元件(完整的SoC元件)(圖6)。
圖6：EPC將於2022年第四季發佈第6代元件。(圖片來源：EPC)
碳化矽的基礎知識
Veliadis在其演講中介紹了寬能隙元件的優勢以及SiC的挑戰和機遇。
Veliadis指出，由於SiC和GaN元件具有更高的熱導率、能隙寬度(eV)和臨界電場，因此都可以用來實現更高效、新穎的電力電子(圖7)。
寬能隙和高臨界電場意味著可以讓高壓元件的各層做得更薄，從而降低電阻和相關的傳導損耗，並實現低漏電和穩健的高溫操作，Veliadis表示。此外，更薄的層和低導通電阻可以實現更小的外形尺寸，從而降低電容，並實現更高頻率的工作和更小的被動元件，而大熱導率則可以實現在簡化散熱管理的情況下進行大功率操作，他指出。
Veliadis說：「這些都是SiC和GaN的重大優勢，因而讓我們今天見證其巨大的成長。」
圖7：SiC和GaN功率元件可以實現更高效、新穎的電力電子。(圖片來源：PowerAmerica)
Veliadis還討論了SiC的一些關鍵應用，包括汽車、資訊技術、電網基礎設施、馬達驅動和航太領域。
SiC的大量應用是電動車(EV)大幅成長的汽車產業。「高壓SiC將能解決電動車的最大問題之一是，它能以在加油站為汽車加油所需的時間內為EV充滿電。」
在資料中心，散熱管理則是一個大問題，任何能提供更高效率的技術(如SiC和GaN)都將有助於改進這一應用，他補充說。其他大型應用是再生能源和馬達驅動，它們消耗了全球約50%至60%的電力。
最後但也同樣重要的是，航太領域正朝著全電動飛機的方向發展，目標是實現更高的效率以及更低的雜訊和排放，他表示。
「今天的電力電子工程師有很多選擇；他們可以在應用中使用Si、SiC或GaN。」但是，Veliadis表示，「問題是『你如何在應用中選用哪種類型的技術』，答案是你必須考慮電壓要求、電流級、頻率要求、應用所需的效率、溫度要求，當然還有成本方面的考慮。」
圖8顯示了不同技術可提供最大優勢的領域。
圖8：不同技術可提供最大優勢的領域。(圖片來源：Infineon——由PowerAmerica提供)
「在較低的頻率和非常高的功率下，矽是最有力的競爭者。隨著頻率的增加，矽的損耗變得更多，因此它不再是一個好的解決方案，而SiC在此就成為最佳解決方案。當然，在非常高的頻率下，GaN則是一種出色的解決方案。」他表示，「矽在15至650V的電壓範圍內極具競爭力，而GaN在100至650V電壓範圍內極具競爭力。(他還指出，某家GaN公司已擁有900V元件。) SiC在高電壓下極具競爭力，例如，1200V、1700V和3.3kV的元件已得到市場驗證，而多家供應商也即將發佈6.5kV和10kV產品。」
但Veliadis表示，一個巨大的競爭市場是在650V範圍內，Si、GaN和SiC都在此競爭。「矽非常可靠，非常耐用，而且價格便宜並且能夠提供大電流，而GaN則能以非常合理的成本提供極高效率。GaN也是一種CMOS相容元件，因此可以利用矽的規模經濟優勢，在大型晶圓廠中製造。SiC則非常高效，可在大電流和高頻率下作業。」
Veliadis並深入探討平面型和溝槽型SiC MOSFET之間的差異。該討論涉及遷移率、電場、漂移層、導通電阻、阻斷電壓能力和擊穿場性能。
他還詳細介紹了幾個晶圓製造問題和大規模商業化之路，提供了如何解決這些挑戰的技巧。總體挑戰是SiC製造製程需要投資優質工具和開發非CMOS相容製程。
「使SiC製造像GaN一樣非常重要。」Veliadis表示，「對於SiC的情況，需要購買特定工具並開發與矽CMOS不相容的特定製程。我們利用了所有成熟的Si製程，將它們成功轉移到SiC，以便利用規模經濟。」
然而，SiC材料的特性需要開發特定的製程，他表示。其中一些挑戰包括：
- 蝕刻——由於高溫，濕式蝕刻對SiC不實用；
- 襯底削薄以降低電阻；
- 摻雜——傳統的熱擴散對於SiC也不實用，需要新的注入和注入退火製程，以及使晶圓變平以減輕高溫退火的影響；
- 實現良好的歐姆接觸形成，並選擇與CTE匹配的金屬。
其他所涵蓋的挑戰還包括閘極氧化物、透明晶圓、SiC晶圓缺乏平整度和絕緣電介質。最終，因應這些挑戰有望產生更好的襯底、更高的可靠性、更少的缺陷、更高的耐用性和更低的成本。
據Veliadis所述，特別是當業界轉向200mm晶圓時——這有望將SiC成本降低約20%或甚至更多——需要能夠改進這些製程。
他估計，要使矽代工廠能夠處理SiC晶圓，大約需要10至1,500萬美元的投資。
除了製造方面的挑戰外，他還指出了供應鏈問題。「對於現在這個矽世界，使用SiC代工廠，在製程和設計方面都面臨競爭。第二個問題是晶圓供應鏈是SiC的一個問題，因為它的成長速度非常快，所有公司都在尋找確保低成本、高品質襯底晶圓來源的方法。」
(參考原文：PowerUP EXPO 2021: Fundamentals of GaN and SiC Power Devices，by Gina Roos)
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