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AspenCore 的 2021 年 PowerUP 博览会 用一整天的时间介绍宽带隙 (WBG) 半导体，特别是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。WBG 小组讨论的重点是“下一波 GaN 和 SiC”，从当天的主题演讲中汲取灵感，包括新产品开发、技术挑战和晶圆制造。
由于尺寸、重量和成本的节省以及更高的效率，GaN 和 SiC 功率器件正在大力推动超越快速充电器和可再生能源，进入数据中心、电机驱动器、电动汽车 (EV) 和其他电子设备领域。移动应用。
该小组由六位行业专家组成。GaN 市场的小组成员包括EPC首席执行官兼联合创始人 Alex Lidow，他讨论了 GaN 集成技术；Navitas Semiconductor企业营销和投资者关系副总裁 Stephen Olivier研究了 GaN 在电气化中的作用；Kubos Semiconductor的首席执行官 Caroline O'Brien强调了该公司用于 LED 的立方 GaN 技术。
SiC 小组成员包括UnitedSiC （最近被 Qorvo 收购）的技术开发总监 Pete Losee，他讨论了他的公司通过 750-V 第 4 代产品系列不断扩大的产品组合；Wolfspeed 电源产品营销全球总监 Paul Kierstead介绍了 SiC 在可再生能源电力转换和存储中的作用；和X-trinisic的总裁兼首席技术官 Rob Rhoades，他对 SiC 晶圆制造提供了深刻的见解。
小组成员的共同主题包括效率和集成，以及在 WBG 半导体的帮助下减少世界对化石燃料的依赖。小组成员还一致认为，即将推出的 200 毫米晶圆将进一步节省成本。
GaN：效率和碳节省
Kubos 的 O'Brien 以介绍该公司的新材料技术——用于 LED 的立方氮化镓为开场白。下一代照明创新被认为是现有的 LED 技术，但她反驳说 Kubos 的立方 GaN LED 技术可以进一步提高 20% 到 40% 的效率。她说，这意味着在五年内照明和展示方面 的碳足迹和二氧化碳排放量减少了近 7 亿吨 CO 2 。
O'Brien 表示，新的立方 GaN 可以消除绿色和琥珀色光的低效率，并为生产不仅可以更高效而且可以改善显色性和更有效地vwin 日光的解决方案提供机会。
据说绿色和琥珀色 LED 的“绿色差距”或效率下降会降低 RGB 的性能并增加成本和尺寸。她说，使用立方 GaN 技术，消除了量子限制斯塔克效应和电场，在规模和更长波长方面提供了优势，并降低了光谱漂移。
同样，像 Navitas 这样的 GaN 功率器件制造商也专注于提供支持电气化的技术和器件，从而减少世界对化石燃料的依赖。
“今天，超过 80% 的电能转化为电力是基于化石燃料的，”Navitas 的 Olivier 说。“我们可以改善这一点并将其从 20% 的可再生能源和电力负载转变为 80% 的方法之一是使用 GaN，这是我们世界电气化的一大推动力。
“当我们研究 GaN 组件的小尺寸，以及我们如何集成特性和功能并减少传统系统中的组件时，我们的 CO 2足迹可以比硅等效物小 10 倍，”他说。
“每次我们出货 GaN 功率 IC，我们都会减少 4 kg CO 2。通过使用新技术，这是一个巨大的净收益。我们相信，我们可以在三年内加速全球从内燃机汽车向电动汽车的过渡，并将道路部门的排放量减少 20%，最终实现到 2050 年每年减少 2.6 吉吨的目标。”
GaN 功率器件制造商一致认为，从分立 GaN 向更高集成度的转变将推动效率的提高。Navitas 和 EPC 都讨论了他们的集成 GaN 产品，这些产品可提供更高的效率、更小的尺寸和更大的功率输出。
一个例子是 Navitas 的 GaNFast 电源 IC，该 IC 具有采用 GaNSense 技术的集成栅极驱动器，该技术集成了自主感应和保护电路。
Lidow 表示，GaN 的美妙之处在于将高压、大功率、低压、数字逻辑和其他器件集成在同一芯片上。“GaN 的优势在于它的速度非常快，如果你将驱动器与功率器件放在同一个芯片上，你可以获得比两个不同芯片中更高的速度。您还可以获得电源效率方面的优势。”
几年前，EPC 推出了全单片功率级，可提供更高的效率和更大的功率输出。它还转化为更小的尺寸、更少的组件和更少的设计时间。
Lidow 表示，EPC 预计将该技术提升到更高的集成水平，到 2023/2024 年，分立功率器件将开始从 EPC 的工具箱中淡出，取而代之的是具有板载集成功能的器件。“对于 GaN，它是关于未来的集成。”
EPC 的 100V、65A ePower 芯片组——EPC23101 eGaN IC + EPC2302 eGaN FET——在 1MHz 开关频率下提供 96% 的效率，在 500kHz 开关频率下提供 97% 的效率。（来源：EPC）
SiC：进步和节省
SiC功率器件的好处是更高的效率和更高的开关频率。这些特性转化为更小的系统设备、更高的功率密度和更低的系统成本。此外，据说更高的开关频率可以减小无源元件的尺寸。
Wolfspeed 和 UnitedSiC 都讨论了 SiC 市场的显着销量增长及其最新产品介绍。
Kierstead 讨论的一个关键部分集中在 Wolfspeed 的 SiC 器件上，这些器件正在推动可再生能源电力转换和存储的变革。
在他看来，Wolfspeed 产品组合的一个关键优势在于，该公司涵盖了从 6 kW 到 22 kW 的充电器侧应用，并已扩展到太阳能储能系统 (ESS) 市场。
“好处当然是更高的效率，”他说。“我们可以获得更高的开关频率。所有这些都推动了更小、更轻、具有更高效率的系统级设备，并且与功率密度一起，它使我们能够降低系统成本。
“我们的功率密度提高了大约 50%——同样，更小、更轻、更冷——我们能够展示出大约 18% 的净系统成本效益，”他补充道。
对于 UnitedSiC，其战略的很大一部分是提供低 R DS( on)。Losee 将部分讨论内容用于其具有 6-mΩ SiC FET 的 750-V Gen 4 产品系列。与 650-V SiC MOSFET 相比，第 4 代 750-V FET 的每单位面积导通电阻低 3 倍。
Losee 说，这是通过利用具有低压 Si MOSFET 的常“导通”、极低导通电阻 SiC JFET 来 实现每单位面积的最低 R DS( on) 。
该公司对 SiC FET 设计采用了一种略有不同的方法，即使用基于 SiC JFET 的级联技术。与标准 SiC FET 相比，引用的一个关键优势是 JFET 卓越的跨导和良好的 I d sat特性，这使得 UnitedSiC 能够在其标称条件下调整短路性能而不会大幅降低导通电阻。
UnitedSiC 声称，750V、6mΩ SiC FET 的 R DS(on) 值不到最接近的 SiC MOSFET 竞争对手的一半。（来源：UnitedSiC）
UnitedSiC 还通过更广泛的选项范围提供更大的设计灵活性 — 在这种情况下，使用 750-V FET 提供从 6 mΩ 到 60 mΩ 的广泛产品组合。
Losee 说，有了完整的产品组合，设计人员不必在优化他们的系统以提高效率、成本或热管理方面做出重大妥协。
X-trinsic 的 Rhoades 向上游迈出了一步，讨论了 SiC 晶圆以及将 SiC 单晶圆盘转化为设备就绪晶圆的任务中的工艺顺序（和挑战）。
SiC 的独特之处在于它是一种极其坚硬的晶体，而且它还具有化学惰性，因此很难通过顺序步骤。
“你必须在考虑碳化硅特性的情况下重新开发这些工艺，每一步都需要更长的时间，而且可能会更昂贵，”罗德斯说。
例如，“很多人现在都在使用围绕钾和高锰酸盐配制的浆料，”他说。“这是使 SiC 现在能够以合理数量供应的创新之一，当然，每个人都希望降低成本。”
Rhoades 注意到拐点出现在 200 毫米处，并过渡到单晶片处理。在 100 毫米到 150 毫米的晶圆尺寸中，传统的工艺顺序涉及晶圆抛光和成型步骤中的批量抛光和批量研磨，当您获得更大的晶圆尺寸时，这些开始显示出几何限制，这意味着您将无法每批获得尽可能多的晶圆，他说。
他补充说，制造方法有很多创新空间，以推动更高的产量和更低的成本，这将有利于整个行业。
审核编辑 黄昊宇
工商网监
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