如何化解第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用痛點

在集成電路和分立器件領(lǐng)域，硅始終是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體材料，但硅材料技術(shù)的成熟恰恰意味著難以突破瓶頸。為了打破固有屏障，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步深入對新材料、新工藝、新架構(gòu)的探索。憑借著在功率、射頻應(yīng)用中的顯著性能優(yōu)勢，第三代半導(dǎo)體逐漸顯露出廣闊的應(yīng)用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

【導(dǎo)讀】在集成電路和分立器件領(lǐng)域，硅始終是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的半導(dǎo)體材料，但硅材料技術(shù)的成熟恰恰意味著難以突破瓶頸。為了打破固有屏障，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步深入對新材料、新工藝、新架構(gòu)的探索。憑借著在功率、射頻應(yīng)用中的顯著性能優(yōu)勢，第三代半導(dǎo)體逐漸顯露出廣闊的應(yīng)用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

所謂第三代半導(dǎo)體，即禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，又稱寬禁帶半導(dǎo)體。常見的第三代半導(dǎo)體材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（AIN）、氧化鋅（ZnO）和金剛石等，其中又以碳化硅和氮化鎵材料技術(shù)的發(fā)展最為成熟。與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料通常具備更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導(dǎo)率，電子飽和速率和抗輻射能力也更勝一籌，在高溫、高壓、高頻、高功率等嚴(yán)苛環(huán)境下，依然能夠保證性能穩(wěn)定。

圖1：第三代半導(dǎo)體的材料特性

（圖源：STMicroelectronics）

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，第三代半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用于射頻器件、光電器件、功率器件等領(lǐng)域。以功率半導(dǎo)體市場為例，據(jù)TrendForce集邦咨詢報告，在新能源汽車、光伏儲能、智能電網(wǎng)等市場需求拉動下，預(yù)計2025年第三代半導(dǎo)體功率市場規(guī)模將增至47.1億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)45%。從下游細(xì)分市場來看，由于材料性能不盡相同，碳化硅與氮化鎵在應(yīng)用場景上也略有差異。碳化硅具備更高的熱導(dǎo)率，主要面向新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等高壓、高功率應(yīng)用；而氮化鎵則以其更高的電子遷移率，高頻特性較好，廣泛應(yīng)用于PD快充、新能源充電樁、5G通信等領(lǐng)域。

圖2：碳化硅及氮化鎵應(yīng)用優(yōu)勢領(lǐng)域

（圖源：英飛凌）

整體而言，碳化硅、氮化鎵器件市場已經(jīng)初具規(guī)模，在功率和射頻應(yīng)用領(lǐng)域完成了對硅基半導(dǎo)體器件的初步替代。但由于材料制備技術(shù)、器件制造與封裝工藝、動靜態(tài)測試、驅(qū)動設(shè)計優(yōu)化以及可靠性等問題尚未完全解決，導(dǎo)致第三代半導(dǎo)體器件的性能大打折扣，無法完全發(fā)揮其材料本身的優(yōu)勢。關(guān)鍵技術(shù)不成熟、成本居高不下，第三代半導(dǎo)體器件自然難以實現(xiàn)更大規(guī)模的商業(yè)化落地。下面我們就從碳化硅、氮化鎵器件的應(yīng)用痛點出發(fā)，梳理一下國際大廠是如何攻克這些難題的。

優(yōu)化封裝技術(shù)突破開關(guān)性能限制

與硅功率半導(dǎo)體相比，碳化硅功率器件擁有更快的開關(guān)速度、更小尺寸和更低損耗，有望在諸多應(yīng)用中取代IGBT。然而受限于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，碳化硅功率器件的性能優(yōu)勢難以完全得到發(fā)揮。傳統(tǒng)封裝形式通常采用TO-247N，柵極引腳和源極引腳的寄生電感將會與寄生電容發(fā)生振蕩，從而使MOSFET導(dǎo)通所需的柵極電壓降低，導(dǎo)通速度減慢。為此，一些廠商正在尋求更完善的封裝方案，以優(yōu)化器件性能，進(jìn)一步挖掘碳化硅器件潛力。

貿(mào)澤電子在售的來自制造商ROHM Semiconductor的SCT3080KW7TL，是一款7引腳SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表貼封裝，將電源源極與驅(qū)動器源極引腳分離開，可提供獨立于電源的驅(qū)動器源，有效消除了導(dǎo)通時源極電感對柵極電壓的影響。導(dǎo)通時，電流變化時間縮減，導(dǎo)通損耗降低；關(guān)斷時，寄生電感減少，關(guān)斷損耗也相應(yīng)降低。此外，SCT3080KW7TL專有的溝槽式柵極結(jié)構(gòu)將導(dǎo)通電阻降低了50%，輸入電容降低了35%。

圖3：SiC MOSFET平面結(jié)構(gòu)與溝槽結(jié)構(gòu)性能比較

（圖源：羅姆）

具體來看，SCT3080KW7TL漏源極擊穿電壓為1.2kV，連續(xù)漏極電流為30A，具有很低的漏源導(dǎo)通電阻，數(shù)值為104mΩ。獨立式驅(qū)動器源極也讓SCT3080KW7TL驅(qū)動更加簡單便捷、易于并聯(lián)，有助于進(jìn)一步降低應(yīng)用設(shè)備的功耗。在太陽能逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源、電機驅(qū)動等領(lǐng)域，SCT3080KW7TL已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。

ROHM Semiconductor另一款也在貿(mào)澤有售的BM2SC121FP2-LBZE2，則是一款準(zhǔn)諧振AC/DC轉(zhuǎn)換器IC。該芯片同樣采用了小型表貼封裝TO-263-7L，內(nèi)部集成了1700V耐壓SiC MOSFET及其柵極驅(qū)動電路。與Si-MOSFET相比，BM2SC121FP2-LBZE2將AC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC、800V耐壓Si-MOSFET、齊納二極管、電阻器和散熱板集成在一個封裝內(nèi)，極大地削減了部件數(shù)量，在小型化方面極具競爭優(yōu)勢。同時，該芯片內(nèi)置了高精度過熱保護(hù)功能，實現(xiàn)了更高的可靠性能。

圖4：BM2SC12xFP2-LBZ應(yīng)用電路

（圖源：羅姆）

此外，BM2SC121FP2-LBZE2采用了電流檢測電阻作為外部器件，IC設(shè)計簡單且高度靈活。控制電路采用準(zhǔn)諧振方式，運行噪聲低、效率高、可軟啟動，可充分降低EMI。整體而言，BM2SC121FP2-LBZE2為大功率逆變器、AC伺服等工業(yè)設(shè)備提供了低成本、小型化、高可靠性、高效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

調(diào)整驅(qū)動設(shè)計降低功率損耗

作為柵極電壓控制器件，MOSFET柵極驅(qū)動電壓的振蕩直接影響著元器件的可靠性，更甚至?xí)斐呻娐饭收匣蚴?。MOSFET器件在轉(zhuǎn)換過程中，柵極與漏極之間的米勒電容將會誘發(fā)米勒振蕩，干擾柵源極電壓上升，從而延長了開關(guān)切換時間，導(dǎo)通損耗大幅增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性也隨之降低。對于SiC MOSFET而言，其出色的開關(guān)速度和性能更是加劇了米勒導(dǎo)通效應(yīng)。因此，如何減少米勒電容、降低米勒效應(yīng)的影響，成為各大廠商迫切需要解決的難題。

對此，貿(mào)澤電子在售的來自STMicroelectronics的SCTH35N65G2V-7AG提供了一種效果顯著的解決方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了STMicroelectronics第二代碳化硅MOSFET技術(shù)，具有極低的導(dǎo)通電阻和優(yōu)異的開關(guān)性能。該器件漏源極擊穿電壓為650V，漏源導(dǎo)通電阻最大67mΩ，柵極電荷和輸入電容極小，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器和工業(yè)電機控制等領(lǐng)域。

為了緩解米勒效應(yīng)，SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術(shù)，在瞬態(tài)電壓額定值低于20V/ns時，有效地抑制了米勒振蕩，減少了開關(guān)的錯誤導(dǎo)通率，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在較高瞬態(tài)電壓下，SCTH35N65G2V-7AG則通過在柵源極使用齊納保護(hù)限制振鈴，進(jìn)一步優(yōu)化電路輸出波形。

此外，與傳統(tǒng)IGBT相比，在相同額定電壓和等效導(dǎo)通電阻下，SCTH35N65G2V-7AG表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐高溫、低損耗性能，適用于高開關(guān)頻率應(yīng)用場景，可減小無源元件的尺寸。同時，SCTH35N65G2V-7AG的導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗均不受結(jié)溫影響。溫度從25℃上升至175℃時，該器件的導(dǎo)通電阻變化率明顯低于競爭產(chǎn)品。

圖5：導(dǎo)通電阻隨溫度的變化

（圖源：STMicroelectronics）

STMicroelectronics另一款貿(mào)澤在售的單柵極驅(qū)動器STGAP2SICSNTR為中高功率應(yīng)用提供了一個易于使用的驅(qū)動方案。該器件可在柵極驅(qū)動銅導(dǎo)與低壓控制接口電路間提供電流隔離，具備4A與軌到軌輸出能力。STGAP2SICSNTR提供了兩種不同的配置選項，第一配置具有獨立輸出引腳，通過使用專用的柵極電阻器獨立優(yōu)化導(dǎo)通和關(guān)斷。第二種配置則具備單輸出引腳和米勒鉗位功能，抑制了半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高速轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的柵極尖峰?？傮w而言，STGAP2SICSNTR為功率轉(zhuǎn)換和電機驅(qū)動器逆變器等工業(yè)應(yīng)用提供了高度靈活、成本低廉的設(shè)計方法。

圖6：STGAP2SICSNTR兩種配置電路框圖

（圖源：STMicroelectronics）

STGAP2SICSNTR內(nèi)置了UVLO和熱關(guān)斷保護(hù)功能，可針對SiC MOSFET進(jìn)行值優(yōu)化。通過雙輸入引腳選擇控制信號極性，實現(xiàn)硬件互鎖保護(hù)，避免控制器故障時發(fā)生交叉輸出，可幫助工程師輕松設(shè)計高可靠性系統(tǒng)，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和抗干擾能力。

此外，STGAP2SICSNTR高壓軌高達(dá)1,700V，全溫度范圍內(nèi)dv/dt瞬變抗擾性在100V/ns左右，輸入輸出延遲低于75ns，PWM控制精度較高，能夠有效提高系統(tǒng)精度。

貿(mào)澤電子在售的STMicroelectronics GaN半橋高壓驅(qū)動器MASTERGAN1TR，采用電源系統(tǒng)級封裝，集成了半橋柵極驅(qū)動器和兩個增強型高壓GaN晶體管，為開關(guān)電源、充電器、太陽能發(fā)電、UPS系統(tǒng)、高壓PFC、DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用提供了簡單緊湊的解決方案。

圖7：MASTERGAN1TR電路框圖

（圖源：Mouser）

MASTERGAN1TR還內(nèi)置了集成式功率分流器和自舉二極管，漏源導(dǎo)通電阻約150mΩ，漏源擊穿電壓為650V，可為嵌入式柵極驅(qū)動器快速供電。同時提供UVLO保護(hù)和互鎖保護(hù)，避免電源開關(guān)在低效率或危險條件下工作。

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總結(jié)

隨著新能源汽車、電力電網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體憑借著其在高壓、高溫、高頻應(yīng)用中的優(yōu)勢，逐漸顯露出對硅基半導(dǎo)體的替代作用。然而受限于傳統(tǒng)封裝工藝、驅(qū)動設(shè)計等技術(shù)瓶頸，第三代半導(dǎo)體器件散熱、可靠性方面都面臨著新的難題和挑戰(zhàn)。

面對這些應(yīng)用痛點，貿(mào)澤在售的多種類型的功率器件及模塊、門驅(qū)動器在封裝工藝和驅(qū)動技術(shù)方面進(jìn)行了創(chuàng)新和優(yōu)化，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，最大限度地挖掘了寬禁帶半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)勢，推動寬禁帶半導(dǎo)體器件更大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用落地。

技術(shù)發(fā)展日新月異，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于新材料及材料技術(shù)的追求從未止步，超寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸走進(jìn)人們的視野。以氧化鎵（GaO）為例，與碳化硅和氮化鎵相比，該材料的帶隙更寬、擊穿場強更高，在大功率、高頻率、高電壓設(shè)備中擁有更高的應(yīng)用價值和更廣闊的發(fā)展前景。跟隨技術(shù)演進(jìn)方向，貿(mào)澤也將不斷擴(kuò)展產(chǎn)品類目，豐富解決方案，全面助力寬禁帶、超寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展。

審核編輯 黃昊宇