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碳化硅,氮化镓和甚至金刚石都在运行中,为下一个宽带隙材料。

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几十年来,该行业一直依赖各种功率半导体以有效的方式控制和转换电能。半电源是无处不在的,因为它们被发现在适配器,电器,汽车,电梯,开关电源,电网和其他系统。

但是,今天的基于硅的功率半导体晶体管技术,例如IGBT,MOSFET和晶闸管,朝着它们的物理限制接近。因此,多年来,该行业基于宽带隙技术,即硅碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)上的硅碳化硅和氮化镓(GaN)上发展了更快,更高效的电力芯片。

尽管如此,今天的宽带隙设备也遭受了各种问题,促使需要一种新的和颠覆性技术。事实上,在下一代功率晶体管的开发中发生了一种越来越多的研发。下一代候选人包括散装垂直GaN,钻石FET,Newfangled SiC等。

美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)的项目主任Tim Heidel说:“如果开发成功,这些设备可以提供一条途径,使其与基于硅的功率设备在更高的功率水平上实现功能成本平价。”专注于早期技术的ARPA-E最近宣布了一个计划,旨在开发下一代设备和材料,用于1200伏及更高的应用。该程序被称为SWITCHES,是“控制高效系统的宽带隙、廉价晶体管策略”的缩写。

目前的Gan-On-Silicon电源芯片和SIC FET今天运送,但可能需要数年,如果不是数十年,则在下一代技术船舶中的卷。“甘先生在LED空间中取得了成功,但晶体管技术集团高级总监Adam品牌有一些问题。”应用材料。“钻石具有高导热性,但它也很贵。它在实用性方面很远。“

力量半狂热
除了ARPA-E计划之外,许多其他公司,研究机构和大学正在开发下一代功率半导体技术,并有充分的理由。据埃克森美孚表示,全球对电力的需求从2010年到2040年增加了87%。但在电力的传输和分配中,根据估计,损失的损失可以为8%至15%。

因此,需要更快,更有效的系统和芯片。今天的电力电子系统范围从几瓦到多个兆瓦。在系统中,有各种组件和晶体管类型。

在低端,最常见的基于硅基晶体管类型是功率MOSFET。汤面版本,超级结MOSFET,是一个垂直装置,大约900伏。

前导中级功率半导体器件是绝缘栅双极晶体管(IGBT),其是三端装置,其结合了MOSFET和双极晶体管的特性。并且在高端,该行业使用晶圆级固态设备的晶闸管。

“现有的技术大多是硅。市场上也有各种电压节点。例如,有一个600伏的节点。今天的硅基超结mosfet可能很好地满足了这种电压节点。你的笔记本电脑充电器或你插在墙上的其他东西可能使用超结MOSFET,”Avogy的首席技术官Isik Kizilyalli说,Avogy是一家正在开发批量垂直GaN晶体管的初创公司。Avogy获得了来自英特尔和其他人。

“当电压达到1200伏或更高时,人们会使用igbt。但这是缓慢的。”“碳化硅设备正开始进入市场,1200伏特的碳化硅更多。这将是下一波高压设备。GaN将成为下一波浪潮。”

理论上,GaN和SiC等宽带隙芯片比硅更小、更快、效率更高。它们在较高的温度、频率和电压下运行,因此有助于消除高达90%的电力转换损失。宽带隙是指电压更高的电子带隙,它大于一个电子伏(eV)。

SIC与Ga.钻石
如今,几家公司是运输SIC FET,其针对600,1,200和1,700伏应用。基于硅和碳,SiC具有3.3eV的带隙。硅具有1.1 eV的带隙。在缺点方面,SiC器件由100mm或150mm的基板制成,使晶片成本稍微昂贵。SiC FET也遭受了低有效的渠道流动性。

然而,在研发中,Cree最近设计了可以有一天更换基于硅的IGBT和晶闸管的SiC FET。单极的SiC FET具有高达15-kV的阻塞电压。IGBT和晶闸管具有高达8 kV的电压。

在15 kV时,单极设备击中了墙壁,促使需要双极技术。在研发中,CREE还规范了具有27kV阻挡电压的组合SiC N-IGBT器件。CREE的说法,这是世界上报告的半导体器件的最高电压。

Cree电力和射频首席技术官John Palmour表示,尽管这些设备仍处于研发阶段,但它们展示了SiC在高功率应用中的能力。“单极SiC mosfet在6.5 kv硅igbt上的开关损耗降低了近30倍,”他说。

另一种技术GaN,已被吹捧为电力和RF的下一个大事。GaN有3.4 ev的带隙。今天的GaN-On-Silicon装置是横向结构,意味着电流从源流到表面上的漏极。

然而,GaN-on-silicon器件存在着各种各样的问题。Avogy的Kizilyalli说:“不是格子搭配的。”“但人们已经能够在它上面制造好的射频设备。很多人也在尝试在200伏和600伏的电力电子中使用硅上的gan。但可靠性存在问题。可扩展性也存在问题。”

事实上,在600伏电压下,横向GaN-on-silicon器件可能会遇到瓶颈,这促使了对下一代技术的需求,即批量垂直GaN晶体管。在垂直GaN器件中,电子从上往下流动。Kizilyalli说:“我们不会遇到晶格不匹配的问题,因为我们正在发展GaN-on-GaN。”“如果垂直的话,你可以制造1200伏和1700伏的装置。我们可以把它设为3。7kv。这在横向布局中非常困难,也不简单。”

使用2英寸晶圆和MOCVD工艺,Avogy采样有限的设备。“我们尝试了4英寸。有多种GaN基材供应商。那些是昂贵的,但价格下跌,质量随着时间而改善,“他说。“总的来说,垂直GaN将改变电力电子行业。明年不会发生。需要解决很多基本问题。“

根据Lux Research的说法,Bulk GaN基板仅限于小尺寸并昂贵,而且普通甘甘甘甘甘甘湾将在未来十年中发挥有限的作用。另一方面,由于勒克斯的说法,Gan-On-SiC可能会在2017年开始的运输市场中获得一些牵引力。

除了SIC和GaN之外,也有令人兴趣的是最终的电源装置 - 钻石。钻石具有宽的带隙(5.45eV),高击穿场(10mV / cm)和高导热率(22W / CMK)。金刚石是碳含量的含碳。对于电子应用,该行业主要使用合成钻石,通过化学气相沉积(CVD)工艺生长。

钻石fet成为主流可能需要数年时间。Lam研究公司的高级副总裁兼首席技术官Dave Hemker说:“人们很难对高导电性的材料不感兴趣。”“问题一直是,如何以在半导体意义上有用的方式经济地种植钻石。”

尽管如此,研究人员在这一领域仍取得了一些突破。亚利桑那州立大学(ASU)物理系教授罗伯特·内曼尼克(Robert Nemanich)说:“该行业正在进入钻石电子的复兴。”ASU本身也从SWITCHES项目获得了一笔拨款,用于开发金刚石半导体器件。

“问题是,它难以涂钻石。但在过去的几年里,掺杂已经为n型提出。对于p型,人们已经用硼作为掺杂剂,多年来。为了获得N型材料,磷已经证明是掺杂剂,“Nemanich说。“缺少的另一件事是可重复和高质量的基材。但是,现在,您可以为电源装置购买廉价金刚石基板的相对性。对于3mm x 3mm的衬底或类似的东西,这是100美元,或者可以100美元到500美元,具体取决于您想要的质量。“

多年来,许多实体生产了金刚石场效应晶体管,至少在实验室中是这样。例如,该领域的领导者之一,日本早稻田大学最近发表了一篇关于1000伏特应用的金刚石场效应晶体管的论文。

与传统的掺硼p型金刚石场效应晶体管不同,早稻田利用了基于h端接(C-H)金刚石表面的p通道场效应晶体管。简单地说,当端氢金刚石暴露在空气中时,C-H金刚石场效应晶体管在表面变得高度导电。早稻田大学科学与工程学院的Hiroshi Kawarada教授说:“C-H金刚石场效应晶体管显示出更优越的晶体管性能,因为通过从表面侧施加栅极偏置,可以有效地调制近表面的致密空穴积累。”

为了制作金刚石场效应晶体管,Waseda利用微波等离子体辅助CVD在金刚石衬底上生长了一层厚度为0.5μm的未掺杂金刚石层。该器件的关键是在FET顶部形成致密的表面孔(2D孔气,2DHG)。研究人员使用原子层沉积(ALD)过程,在450°C下应用Al2O3,以复制不吸附2DHG。

与此同时,在switch程序中,ASU正在研究基于钻石的设备。“亚利桑那州立大学正专注于培养磷掺杂层。电触点有点棘手,因为金刚石材料的功函数很低。我们正在取得良好的进展。我们也在准备建立p-n连接。在那之后,我们将建立一个双极结晶体管。它将是一个垂直结构,”亚利桑那州立大学的内曼尼克说。

但问题很清楚。钻石FET将来取代硅和其他宽带隙技术吗?“有一些地方,如果未来的领导者将成为领导者。但是,有些地方可以在钻石可以发挥作用,特别是在最高电压装置中,“Nemanich说。“基于硅的电力电子器件也不是静态场。保持领先于硅是非常困难的。所以,很难说谁会在最后赢。“



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