對(duì)硅替代品的探索始于上個(gè)世紀(jì)的最后二十年，當(dāng)時(shí)研究人員和大學(xué)對(duì)幾種寬帶隙材料進(jìn)行了試驗(yàn)，這些材料顯示出在射頻、發(fā)光、傳感器和功率半導(dǎo)體等領(lǐng)域替代現(xiàn)有硅材料技術(shù)的巨大潛力應(yīng)用程序。在新世紀(jì)之初，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已達(dá)到足夠的成熟度并獲得足夠的吸引力，從而將其他潛在替代品拋在腦后，從而得到全球工業(yè)制造商的足夠重視。

在接下來(lái)的幾年里，重點(diǎn)是研究與材料相關(guān)的缺陷，為新材料開(kāi)發(fā)定制的設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施，并建立一個(gè)可復(fù)制的無(wú)源（二極管）器件和幾個(gè)有源器件（MosFET、HEMT、MesFET、JFET）或 BJT），它們開(kāi)始進(jìn)入演示板，并能夠展示寬帶隙材料帶來(lái)的無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)。就功率半導(dǎo)體而言，這些包括工作溫度范圍的擴(kuò)展、電流密度的增加以及開(kāi)關(guān)損耗降低多達(dá)十倍，從而允許在顯著更高的頻率下連續(xù)工作，從而降低系統(tǒng)重量和最終應(yīng)用的尺寸。

對(duì)于這兩種材料，仍有一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)有待解決：

GaN 非常適合中低功率，主要是消費(fèi)類應(yīng)用，似乎允許高度單片集成，其中一個(gè)或多個(gè)電源開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)電路共同封裝，有可能在單片芯片上創(chuàng)建功率轉(zhuǎn)換 IC , 在最先進(jìn)的 8-12” 混合信號(hào)晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認(rèn)為是一種稀有、無(wú)毒的金屬，作為硅生產(chǎn)設(shè)施中的無(wú)意受體可能會(huì)產(chǎn)生副作用，因此對(duì)許多制造工藝步驟（如干蝕刻、清潔或高溫工藝）進(jìn)行嚴(yán)格分離仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵要求。此外，GaN 在 MO-CVD 外延工藝中沉積在晶格失配的載體上，如 SiC 或更大的晶圓直徑，通常甚至在硅上，這會(huì)引起薄膜應(yīng)力和晶體缺陷，

GaN 功率器件通常是橫向 HEMT 器件，它利用源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，由肖特基型金屬門(mén)控。

另一方面，碳化硅由豐富的硅和石墨成分組成，它們加起來(lái)占地殼的近 30%。工業(yè)規(guī)模的單晶 SiC 錠的生長(zhǎng)是 6'' 中成熟且廣泛可用的資源。先驅(qū)者最近開(kāi)始評(píng)估 8 英寸晶圓，并希望在未來(lái)五 (5) 年內(nèi)，碳化硅制造將擴(kuò)展到 8 英寸晶圓生產(chǎn)線。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場(chǎng)采用正在提供所需的縮放效果，以降低高質(zhì)量襯底、SiC 外延和制造工藝的制造成本。通過(guò)視覺(jué)和/或電應(yīng)力測(cè)試消除的晶體缺陷極大地影響了較大芯片尺寸的良率。此外，由于溝道遷移率低，存在一些挑戰(zhàn)，這使 SiC FET 在 100 – 600V 范圍內(nèi)無(wú)法與硅 FET 競(jìng)爭(zhēng)。

市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者已經(jīng)意識(shí)到垂直供應(yīng)鏈對(duì)于制造 GaN 和 SiC 產(chǎn)品的重要性。在單一屋檐下建立制造能力，包括晶體生長(zhǎng)、晶圓和拋光、外延、器件制造和封裝專業(yè)知識(shí)，包括優(yōu)化的模塊和封裝，其中考慮了寬帶隙器件 (WBG) 的快速瞬變和熱能力或限制, 允許最低的成本和最高的產(chǎn)量和可靠性。

憑借廣泛且具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品組合和全球供應(yīng)鏈，新的重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向產(chǎn)品定制，以實(shí)現(xiàn)改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序。硅二極管、IGBT 和超級(jí)結(jié) MOSFET 的直接替代品已經(jīng)為 WBG 技術(shù)市場(chǎng)做好了準(zhǔn)備。在為選擇性拓?fù)涠ㄖ?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣性能以繼續(xù)提高功率效率、擴(kuò)大行駛范圍、減少重量、尺寸和組件數(shù)量以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)、汽車(chē)和消費(fèi)領(lǐng)域的新型突破性終端應(yīng)用方面，還有更多潛力。

圖 ：最高效率的車(chē)載充電器系統(tǒng)在 PFC 和 LLC 階段均使用 1200V SiC MOSFET，達(dá)到最高功率密度和最低重量。通過(guò)提供的參考設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)周期的一個(gè)關(guān)鍵因素是準(zhǔn)確的 spice 模型，其中包括熱性能和校準(zhǔn)的封裝寄生參數(shù)，幾乎可用于所有流行的模擬器平臺(tái)，以及快速采樣支持、應(yīng)用筆記、定制的 SiC 和 GaN 驅(qū)動(dòng)器 IC 和世界- 廣泛的支持基礎(chǔ)設(shè)施。

即將到來(lái)的十 (10) 年將見(jiàn)證另一場(chǎng)歷史性變革，其中基于 GaN 和 SiC 的功率半導(dǎo)體將推動(dòng)電力電子封裝集成和應(yīng)用領(lǐng)域的激進(jìn)發(fā)明。在此過(guò)程中，硅器件將幾乎從電源開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)中消失。盡管如此，他們?nèi)詫⒗^續(xù)在高度集成的電源 IC 和較低電壓范圍內(nèi)尋求庇護(hù)。

審核編輯：湯梓紅