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用于電力電子的寬禁帶材料前景及現(xiàn)況
2022-06-20

電力電子器件是半導(dǎo)體領(lǐng)域中一個未被重視的部分。電力電子器件和系統(tǒng)對幾乎所有依靠電力運(yùn)行的設(shè)備的運(yùn)行都至關(guān)重要。 電力電子器件是用于控制和調(diào)整提供給終端電路的電力的半導(dǎo)體器件。這些器件一般與電阻、電感和電容等無源元件相連，以完成電源轉(zhuǎn)換。例如，這些系統(tǒng)將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，在直流電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并運(yùn)行電動機(jī)（直流到交流轉(zhuǎn)換）。 近幾十年來，電力電子技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)提高了每個電力終端設(shè)備的能效。此外，電力電子技術(shù)對實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減碳技術(shù)至關(guān)重要，如LED照明、太陽能發(fā)電和電動車。多年來，使能效驚人增長的是新的硅半導(dǎo)體器件、轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)的創(chuàng)新。電力電子的下一場革命現(xiàn)在正在進(jìn)行中：新材料。 這些半導(dǎo)體，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），被稱為寬禁帶（WBG）材料。顧名思義，它們的電子帶隙比傳統(tǒng)的硅要寬。因此，用WBG材料設(shè)計的電力電子開關(guān)比當(dāng)前的主力器件IGBT和MOSFET具有更低的電阻和更高的開關(guān)頻率。 雖然經(jīng)常將它們相提并論，但實(shí)際上，SiC和GaN之間有一些重要的區(qū)別。這些差異導(dǎo)致它們各自有一個單獨(dú)的 “甜蜜點(diǎn)”，即材料最適合的應(yīng)用。 這些材料的實(shí)際晶圓是第一大區(qū)別。硅錠是通過化學(xué)氣相沉積（CVD）或物理氣相傳輸（PVT）從單晶種子晶圓生長出來的。與硅錠的生成相比，這兩種方法都是高溫和緩慢的。創(chuàng)造SiC晶圓的下一個挑戰(zhàn)是將硅錠切成盤狀。SiC是一種非常堅硬的材料，即使用金剛石鋸也難以切割。還有其他幾種將硅錠分離成硅晶圓的方法，但這些方法會引入缺陷到單晶中。 相比之下，GaN襯底不是從GaN錠上切割下來的。GaN是通過CVD在硅晶圓上生長的。在這種情況下，挑戰(zhàn)在于硅和GaN之間的晶格常數(shù)不匹配。各種方法被用來設(shè)計應(yīng)力，但有可能出現(xiàn)影響可靠性的缺陷。由于GaN是硅上面的一層，因此GaN功率器件是橫向器件，這意味著源極和漏極在晶圓的同一側(cè)。這與硅和SiC功率開關(guān)相反，其主要電流路徑是垂直通過芯片的。 這兩種材料也有不同的最佳電壓等級。額定擊穿電壓為100 V左右的GaN器件將用于48 V以下的中壓電源轉(zhuǎn)換。這個電壓范圍涵蓋云計算和電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。此外，電源和墻上插座將包含650 V的GaN功率開關(guān)，這是適合AC-DC的額定電壓，輸入電壓范圍寬達(dá)90–240 VAC。GaN的高頻率使電源的無源元件更小，從而使整體解決方案更緊湊。 相比之下，SiC器件設(shè)計用于650 V和更高電壓。正是在1200 V和更高電壓下，SiC成為各種應(yīng)用的最佳解決方案。像太陽能逆變器、電動車充電器和工業(yè)AC-DC等應(yīng)用，從長遠(yuǎn)來看都將遷移到SiC。另一個長期應(yīng)用是固態(tài)變壓器，當(dāng)前的銅和磁鐵變壓器將被半導(dǎo)體取代。 電力電子的下一場革命已經(jīng)來臨。新興的碳化硅和氮化鎵寬禁帶材料將有助于使未來的電力電子器件更高能效、外形更小，用于各種應(yīng)用。 編輯：jq

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