追求更高的性能

意大利血統讓我不僅熱愛意大利美食，就連汽車也是喜歡法拉利SF90 Stradale比雷克薩斯ES300多一些。SF是Scuderia Ferrari的縮寫，90表示成立90周年，因此可以看出這是一款為慶祝法拉利車隊成立90周年推出的公路跑車。SF90 Stradale是首款采用插電式混合動力電動汽車（PHEV）架構的法拉利跑車，其內燃發動機集成了三臺電動機。盡管法拉利的混合動力汽車被譽為高性能的工程藝術品，但這款新的混合動力電動汽車更是具備超凡極致的表現（車輛僅在2.5秒內可達0-100公里/小時速度），創下了法拉利最新記錄。

卓越的性能

與SF90一樣，超寬禁帶 (UWBG) 半導體具有許多卓越的性能，它的出現為許多領域開辟了新的機遇。UWBG禁帶比硅（Si，禁帶寬度1.1eV）、寬禁帶半導體（如GaN，禁帶寬度3.4eV）和碳化硅（SiC，禁帶寬度3.3eV）都要寬得多。其中，氧化鎵 (Ga2O3)、立方氮化硼 (C-BN)、氮化鋁鎵 (AlGaN) 等材料是UWBG的典型代表。本文將對這些UWBG半導體材料及其在電子設計中的潛在應用進行介紹。本文中的UWBG是指禁帶寬度≥4eV的半導體材料。

WBG

在了解UWBG半導體之前，我們先回顧一下WBG半導體有別于傳統硅器件的地方。WBG半導體與同等的硅器件相比更小、更快、更高效。WBG器件能在極具挑戰性的操作條件下提供極高的可靠性。在電力電子領域，WBG與Si相比具有如下特性：損耗低、效率高、開關頻率高、設計緊湊、耐高溫、在惡劣環境下的仍能穩定工作，以及高擊穿電壓等特性。此外，WBG的應用范圍十分廣泛，從電機驅動器和電源等工業應用，到混合動力和電動汽車 (HEV/EV)、光伏 (PV) 逆變器、鐵路和風力渦輪機等汽車和運輸系統都有所涉及。WBG產品供應商有：

GaN Systems

Infineon Technologies

ON Semiconductor

Qorvo

ROHM Semiconductor

STMicroelectronics

Wolfspeed/Cree

UWBG半導體材料

氮化鋁鎵 (AlGaN)

GaN是WBG半導體材料的典型代表。當鋁與氮化鎵產生反應時，就產生了AlGaN這種UWBG半導體材料，它的禁帶寬度通常在3.4eV-6.2eV的范圍內。AlGaN可以支持波長約為220nm-450nm的光，因此常被用于制造發光二極管 (LED) 和激光二極管。此外，它還可用于紫外探測器和高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

氮化鋁 (AlN)

Al與氧化氮（也稱為氮化物）經過化合反應就會產生氮化鋁 (AlN)。與AlGaN一樣，AlN也常被用于光電產品，比如紫外線 (UV) LED燈。AlN禁帶寬度為6.1eV，導熱性優，化學穩定性好，并具有高工作頻率和高功率等特性。

立方氮化硼 (C-BN)

硼和氮經過化合反應可以生成氮化硼，立方氮化硼 (C-BN) 即為其中一種。C-BN的禁帶寬度為6.4eV。這種化合物的獨特之處在于，它與禁帶寬度為5.5 eV的金剛石、純碳具有相似的性質。金剛石是自然界中最堅硬的材料， C-BN不像金剛石那么硬，但它能提供更高的化學和熱穩定性。

氧化鎵 (Ga2O3)

Ga2O3禁帶寬度為4.9eV，它是一種無機化合物，可以說是鎵的氧化物（見表1），主要用于光電應用。這種材料可以在室溫下進行摻雜，在多個領域具有潛在優勢。科學家們正在探索利用熔體生長制造大塊單晶的低成本、大直徑晶片的可能性。

表1：幾種UWBG材料的禁帶寬度對比（來源：作者）

對電力電子設備的影響

WBG半導體在各種應用中均實現了更有效、緊湊的功率轉換，并且具有較低的歐姆損耗。探索UWBG半導體材料的動機是希望大幅提升功率密度，類似于從Si到WBG元件的轉變。UWBG半導體還擁有在不引發熱擊穿或可靠性問題的情況下切換大電壓的潛力，例如，AlGaN的Ron值可能比GaN低10倍。UWBG還具有：

高頻、高效率

低歐姆損耗

較少的元件數

高可靠性

品質因數

工程師采用品質因數 (FOM) 來表示轉換器功率密度（即每單位體積處理的功率量）的高低。我們通常使用下面兩個基本FOM來表征半導體材料與功率密度的關系：

vUFOM：(?μnEc3)/4

HM-FOM：Ecμn1/2

UFOM公式是由關態、高斯定律和開態之間的數學關系導出的。其中，我們需要特別關注的是臨界電場EC，GaN的EC介于4和5之間，而 AlN的EC則約為13。

Si的相對FOM為1。將GaN和AlN的Ec值代入上述FOM公式， 即可看到AlN以及相關UWBG半導體材料擁有非常高的FOM值，據此可以預測出UWBG將讓高密度電源轉換應用迎來廣闊的發展前景（表2）。目前設計人員正在對兩終端器件進行評估，包括PiN、肖特基勢壘 (SBD)、結勢壘肖特基 (JBS) 及混合PiN/Schottky (MPS) 二極管，以試圖開發出可行的元件。

表2：品質因數 (FOM) 值（來源：Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE）

UWBG的優勢

在中頻（1kHz到1MHz）、高壓時，UWBG與WBG相比優勢較為突出。但在低頻和高頻時由于存在其他影響性能的因素，這種優勢就不那么明顯了。

與WBG材料相比，UWBG具有更高的擊穿電壓和禁帶。漂移區越厚的UWBG半導體器件，擊穿電壓就越高。AlGaN器件中較高的鋁含量也會導致高擊穿電壓。然而，這有一個缺點， 因為鋁含量高不僅會提高電子遷移率，還會提高熱導率。增大臨界電場 (Ec) 有可能會增加擊穿電壓值 (VB)。理論上可以設想用AlN制作擊穿電壓為1 x 105的元件。

UWBG還為射頻設備帶來了優勢。鋁含量高的AlGaN由于具有較高的臨界電場 (Ec)，因此具有較高的Johnson品質因數 ((J-FOM)。臨界電場與禁帶的這種關聯可以優化FOM，從而為超越現有電力電子的邊界提供了巨大的潛力。

潛力深不可測

目前研究人員正在對基礎材料進行進一步的研究，以便更高效地制造大塊和外延UWBG半導體。此外，也在尋找優化摻雜工藝和表征材料的同時，減少潛在缺陷的絕佳方法，尤其是隨著鋁含量的增加，p型材料摻雜也越趨復雜。

鋁含量高的合金不適合進行空穴熱激活。物理學家們正在積極利用半導體材料的光學特性和電擊穿現象帶來的全新挑戰，并取得了一些可觀的進展。合適的邊緣終端可以防止過早擊穿，因此工程師們都在積極評估各種邊緣終端方案，同時也在收集可以證明UWBG半導體材料優勢的應用信息。

結論

UWBG代表了下一代超高性能的高功率電子產品。在了解它們在未來電子設計中的潛在優勢和應用時，我們可以肯定，創新將繼續推動技術進步，以幫助設計師超越當前限制并實現突破性發展。隨著科學家和設計師不斷改進工藝，最終有望在設計中可以展現UWBG半導體的優越性。

審核編輯：郭婷