硅、氮化镓、碳化硅如何为功率设计寻找最佳的工艺和供应商

电路设计人员最难入手的任务之一就是选择出同时满足系统要求和环境要求的最佳组件。 随着硅(Si)、氮化镓(GaN)以及碳化硅(SiC)工艺日臻成熟，其供应商的专业技能和创造性也在不断提升。现在是时候来衡量各个工艺的优缺点了，同时看看用这些工艺制造功率元件的供应商们有什么独门秘技。在为某一设计选择正确的方案时，所有这些元件都会对决策产生影响。最终的方案将综合衡量工艺成熟度和健壮性，以及供应商专业技术、支持力度和能力水平，甚至还包括某些无形因素后的最佳选择。 GaN和SiC是宽带隙(WBG)材料，这意味着半导体内一个电子从价带顶端跳入导带底端，所需的能量总是大于1~2电子伏(eV)。SiC和GaN半导体通常也称作复合半导体，因为它们包含了周期表中的多个元素。而Si是目前这一领域的成熟材料。 鉴于功率元件领域的竞争不断加剧，行业专家指出，到2013年中期将有6个左右的GaN、Si和SiC供应商会披露有关工艺改进、新型架构，以及会给行业带来新选择和新工具的最新能力。本文将探讨一些这样的公司和技术。 宜普电源转换公司(Efficient Power Conversion) 五年前，宜普电源转换公司(EPC)开始了自己的GaN研究工作，目标市场为200V及以下电压市场。其研究方向是在Si上生长GaN外延层。 GaN中有一种二维电子气(2DEG)传输机制，它使得GaN中的载流子迁移率高于SiC或Si。2DEG位于表层，适用于横向的器件结构，因此，所有端子都位于器件顶端。 现有器件存在一个问题，常开结构中的2DEG需要给栅级施加负电压，才能使器件关断(耗尽型)。电源转换市场自然更想要常闭器件，因此，宜普在三年前采用与Si IC相同的设施开发出了eGaN器件(图1)。

图1：eGaN与耗尽型GaN MOSFET之间有着显著差异。耗尽型GaN需要负电压才能关断，而eGaN只需正栅压便可从全关断转换到全导通。
yEVednc

SiC也用于制造功率晶体管，但是由于SiC没有电子气结构， 因而只能制造出纵向传导器件。GaN或SiC纵向传导器件比Si器件更易达到1kV~2kV的击穿电压水平。而SiC还需要昂贵的制造设施，因为它与现有的Si制造设施工艺并不兼容。 将来，宜普计划进军900V市场，也就需要某种纵向器件结构。那样的话，SiC的导热性优于GaN，而GaN在低电压、大功率时性能更佳，并且在任何电压下都具有成本优势。宜普预测SiC与GaN之间的战役将开始于900V水平，并一路展开。 在光伏电池(PV)板转换器市场中，每块光电板配一个转换器，这些中小型转换器最适合于宜普900V及以下的策略。而更高电压的器件将适合于集中型转换器市场。集中型转换器需要将大量电板接入一个大型高压转换器，这样的架构将会引起成本和效率问题。如果一块PV板发生故障，则为了避免整个机组的宕机，需要将故障电板移出系统，而这样有损效率。不过，如果转换器试图将低压变换为电网级高压，那么转换器本身的效率就会下降。 Si总线转换器与增强型GaN总线转换器在压板空间设计上存在差异(图2)。GaN晶体管速度极快。因此，其系统对于电路布局的敏感度远远大于速度较慢的Si器件。另外，杂散电感在整个系统效率中扮演着更为重要的角色。数百皮亨的电感将会对性能产生极大影响。

图2：本图所示试验总线转换器原型的输入和输出电压分别为48V和12V，(a)设计中采用Si MOSFET，(b)设计中采用eGaN MOSFET。
yEVednc

堆叠式器件优于打线连接。GaN不需要封装—它是惰性元素—因此，宜普采用了一种无封装式设计。这一方案显著减少了电阻、电感和热量问题。宜普计划最终将驱动器整合到场效应晶体管(FET)内。 宜普在台湾的CMOS代工厂汉磊科技(Episil)采用6英寸晶圆，并计划几年之后扩展到8英寸晶圆。除了一台在Si上生长GaN层的机器以外，整个工艺都与硅兼容。金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长炉是为蓝色发光二极管(LED)设计，因而不能完美匹配eGaN FET。这是唯一一道比纯粹的硅工艺成本昂贵的工序。因此，随着MOCVD技术的改进，生长GaN外延的成本就会降低，与Si的成本差异也将逐渐缩小，直至最终消失。

yEVednc

《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} GaN Systems 就速度、温度以及功率容量等方面来看，GaN注定要取代Si功率器件，因为后者已经达到了性能极限。GaN技术将会满足未来“清洁技术”重要创新的实施对于功率、重量及体积效率等的关键要求。 GaN器件包含五项重要特征：高介电强度、高工作温度、大电流密度、高开关速度， 以及低导通电阻(图3)，这些特征来自于其电气性能。与Si相比，GaN的电击穿强度、工作温度都要高10倍，并且拥有极佳的载流子迁移率。

图3：GaN包含5个关键特征， 奠定了在电源和射频电路中的优势(GaN Systems公司提供)。
yEVednc

借助这些特性，GaN Systems公司成功地开发出了一些晶体管，其关键的开关优值要比硅可达到的水平高出两个数量级。 再加上GaN天生就可以忽略不计的电荷存储，从而可以设计出效率极高、热耗极低且尺寸较小的功率开关电路。GaN Systems公司利用其专利独有的定制“岛形”晶体管拓扑结构，克服了传统“指形”设计在器件工作电流方面的局限性。“岛形”设计方案同时适用于在SiC和Si基层晶圆上生长GaN外延层的工艺。因此，工作电压为600V或以下的大直径硅晶上的快速开关只需花费很低的成本，而工作电压超过1200V的开关则可以采用成本较高的SiC基层晶圆。 当工作电压低于1200V时，形成GaN HEMT沟道的电子气产生超强互导，从而将装置的关键优值(导通电阻与总栅极电荷)提高了两个数量级。SiC栅极驱动器通常需要将摆幅严格控制在20V。岛形设计的GaN器件可以由5V摆幅驱动，且栅极电容大幅降低。硅上氮化镓(GaN-on-Si)晶圆成本约为SiC晶圆的十分之一，而晶圆面积是其四倍。GaN Systems公司的岛形器件所占面积也不到等效性能MOSFET SiC管芯的一半。 GaN Systems公司利用铜凸点(copper posts)组装的覆晶方案消除了传统打线的电感，随着开关速度达到约40V/ns，这一点变得非常重要。由于设计拓扑结构可以缩放，并且芯片上金属化的大型开关电流得以去除，因此有望使晶体管具备开关数百安培电流的能力。 这一设计还包括能够对大功率应用芯片双面进行冷却的封装方案。GaN开关可以直接挂接在一块具备强抗干扰性和绝缘性的定制CMOS驱动芯片上，并且可以方便地组装在电源子系统模块中。 科锐(Cree) 科锐在行业中的独特之处在于它采用GaN工艺制造射频器件，采用SiC工艺制造功率器件。凭借其对两种工艺的深度了解和使用，科锐做出了采用SiC制造高压器件的明智决定。 科锐SiC功率器件的目标市场为1200V和1700V方案，之后还会有600V方案。当电压较高时，SiC单极器件优于硅双极器件。电压为600V时的挑战是，Si的性能更佳，而Si CoolMOS和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)成本更低。 SiC MOSFET的主要优势在于其开关损耗很低，这可以提高效率和工作频率。另外，SiC MOSFET的正温度系数便于采用并联方式来获取更大的工作电流。 SiC已经通过了10kV水平的测试。科锐未来的目标市场是电压水平约为3.3kV、6.5kV和10kV的MOSFET。IGBT现在占有着这一市场，但是开关损耗更低的SiC将会提供巨大的性能优势。即使频率低于4kHz，SiC MOSFET在这些电压上的损耗也远远低于IGBT。 今后数年科锐计划将晶圆从目前的4英寸扩展到6英寸，并针对大电流和600V~10kV电压缩小管芯，以缩减成本。科锐可以在其现有的4英寸生产线上实现这个目标，不需要更改工艺即可就地转变。公司已有一条6英寸单独LED生产线。科锐将会填满其4英寸生产线的产量，然后转移到6英寸上，这是一个明智的经营决策。晶圆已经连同6英寸EPI一起提供样品。现在科锐的所有工具都具备6英寸能力，并且SiC所有工序均可内部完成。科锐在行业中的独特之处在于它采用GaN工艺制造射频器件，采用SiC工艺制造功率器件。 安华高、德州仪器以及艾赛斯的产品中都有驱动器集成电路。科锐认为，只要布局良好，驱动器尽量靠近功率元件，不需要振铃也可以获得良好信号，尽管科锐采用的是独立Si驱动器，而不是Si MOSFET工艺那样的集成驱动器。 与IGBT相比，SiC MOSFET在1200V时的开关损耗优值要小20%，在1700V时小10%。SiC开关损耗远远低于IGBT，传导损耗也是如此。科锐的100A半桥模块能够替代200A的IGBT，开关频率为后者的两至三倍，且效率更高(图4)。

图4：全SiC模块最终能够在单个工序中获得更高的集成度。所示科锐模块规格为87.5mmx50mm。
yEVednc

科锐认为可以用SiC替代Si的原因在于：SiC在电流强度方面是Si的两倍，在频率方面是Si的五倍，且热量损耗更小。 科锐目前已有一条6英寸的GaN射频生产线， 并且是第一大开关供应商。基于对SiC和GaN两种元素的了解，科锐选择采用SiC制造功率器件，因为在这方面SiC比Si或者GaN都更加高效。相同电流容量下，科锐的SiC器件体积小于GaN器件。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 德州仪器 2009年初，德州仪器(TI)收购了Ciclon半导体器件公司， 该公司原是一家NexFET MOSFET技术制造商。德州仪器的NexFET通断开关功率在30V以下，与其硅MOSFET驱动器和开关控制器协同(图5)。在同一工艺上制造两种类型器件，便于将驱动器与功率元件集成在单个管芯上。这样的结构可以消除任何连接或打线的寄生效应。寄生效应会导致分立驱动器与功率器件之间高速开关时产生振铃，不论驱动器与功率器件是否在同一工序上。

图5：德州仪器的NexFET技术顺利融入电源管理负载点应用。
yEVednc

阻尼器可以用来减轻振铃，但它同时也会导致效率受损。GaN开关器件的确有其过人之处， 尤其是在10MHz以上，只是它在驱动器/功率器件的互连方面可能存在问题。 封装技术是保证德州仪器NexFET方案达到最佳性能的重要组成部分。为了使一个普通稳压器(尤其用于CPU时)达到最佳性能，必须最大程度地减小两只MOSFET构成电源电路在降压阶段产生的寄生电感和电阻。德州仪器通过一种独特的封装方案达成了这两项要求。为了尽可能缩小影响范围并减少寄生电感，德州仪器在其NexFET PowerStack封装设计中采用了一种堆叠拓扑结构。PowerStack减少了近20%(在20A时)的功耗，并且可以将器件温度降低30%以上。 在GaN领域，德州仪器提供GaNFET驱动器方案，例如LM5114(7.6A的单低侧驱动器，带有独立的源电流和灌电流输出)和LM5113( 100V的集成半桥驱动器，能够驱动GaN功率FET)。与分立实现相比，这些驱动器能够大大节省PCB面积，实现牢靠的功率密度与效率，同时简化了可靠驱动GaN FET的工作。 罗姆半导体(Rohm Semiconductor) 罗姆半导体的MOSFET制造包括了SiC晶圆块、外延生长、功率器件，以及集成功率模块。罗姆半导体公司总部位于日本，与汽车行业联系紧密。这家公司还有一条成熟的SiC肖特基势垒二极管(SBD)生产线。SiC SBD的正向压降要比Si SBD低3%~5%。 SiC MOSFET同时包含了理想功率元件开关的三个关键理想特性(表)。尽管罗姆的MOSFET生产线相对较新，它有望在2013年第一季度采用第二代技术制造出1700V的器件。罗姆计划到2013年底开发出比现有温度器件温度(175℃)更高的封装。有了这一封装，不需要散热器，器件就能在175℃以下的环境工作。 罗姆认为自己与竞争者相比，在小封装和性能优化模块方面具备优势(图6)。

图6：全SiC可通过去除所有致损耗硅元件从而大幅减少功率损耗(罗姆半导体公司提供)。
yEVednc

美高森美客户认为美高森美采用的技术将会优化他们的设计， 无论采用的是自有还是外部代工厂的Si、SiC或GaN工艺。为了获得空间和高可靠性利益，美高森美正着手启动40V~120V的SiC器件开发。 与SiC和Si相比，GaN材料尽是缺陷，但是美高森美在SiC上生长GaN，从而尽量减少了缺陷。GaN在SiC和Si上功率能达到1200V，而且效率更高。 美高森美的目标市场是高温应用，其方案具备不需要散热器的优势，例如，大多数工艺用于“井下”应用和引擎中时，可能会由于温度的周期变化而出现重大机械故障，而美高美森的方案则不会出现这样的状况(图7)。

图7：此图显示了半导体材料及其频率范围，绿色方框圈给出了美高森美的应用空间。
yEVednc

《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 国际整流器公司 国际整流器公司(IR)的目标是以更佳的开关导通电阻和V标称值，降低小封装中的电阻，进军20V~1200V市场。依靠其工艺和击穿电压，功率器件中基于开关导通电阻的优值得到极大提升(参见本篇文章在线版本中的图表，网址为www.edn.com/4409627)。性价比高于Si是关键。 国际整流器公司认为， 与纯Si器件竞争，硅上氮化镓比SiC更具优势。国际整流器公司有自己的Si和GaN工艺，并且能够自制GaN以及硅上氮化镓异质外延层，拥有这方面的知识产权与专利。 尽管MOSFET的漏源导通电阻是重点， 低成本、高效率和强密度(或者这三者的组合)也很重要。如图8所示，GaN器件在功率管理链中的价值定位显著。

图8：GaN在电源管理链中拥有良好的价值定位，因为它可以在设计中全程使用，改善性能(国际整流器公司提供)。
yEVednc

在较高频率下采用GaN的D类音频放大器可获得更好的噪声与谐波失真性能，功率开关也是这样。 国际整流器公司认为，与Si相比，SiC在电压大于或等于1500V时性能更佳，在电气列车和电压表逆变器等应用中更是如此。 GaN在汽车和计算机电源领域拥有市场。国际整流器公司称，早期采用的都是像D类音频和电源这样的低端消费设计，且设计时间为18个月~24个月。这是一个不错的近期市场。随着公司产品逐渐成熟，周期为5年~7年的汽车和医疗市场将成为国际整流器公司的又一希望领域。 除数据表和对Si、GaN与SiC工艺的简单对比所呈现的标准，还有大量其他的选择标准。我们必须考虑到供应商和工艺以及其他无形因素等各个方面，比如经验和工艺寿命、独有的结构，以及与系统其他部分的协同等。只有深入地探究功率元件业中存在而多数设计人员可能考虑不到的各种问题，才能做出最能满足系统整体需求的独特、强势的设计。

您可通过拨打1-632-413-1834或者发送邮件到steve.taranovich@ubm.com与高级技术编辑Steve Taranovich联系。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载