SiC, GaN…新型半導(dǎo)體材料為何如此火爆？

功率器件是系統(tǒng)能效的關(guān)鍵，廣泛影響著從小家電到外太空技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域。近年來，電動(dòng)汽車、移動(dòng)應(yīng)用、可再生能源等領(lǐng)域的普及對(duì)更高效的SoC和系統(tǒng)提出了更高需求，同時(shí)也對(duì)更高效率和功率密度的半導(dǎo)體功率器件提出了更高需求，功率器件逐漸成為焦點(diǎn)。此外，減少碳排放的需求也間接推動(dòng)了半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展。據(jù)Mordor Intelligence預(yù)測(cè)，到2028年，這一市場(chǎng)的價(jià)值將從今年的418.1億美元增長(zhǎng)至492.3億美元。

如何開發(fā)高能效的半導(dǎo)體功率器件成為挑戰(zhàn)，制造商開始采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型半導(dǎo)體材料，同時(shí)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。本文將與各位開發(fā)者共同探討開發(fā)高效半導(dǎo)體功率器件的條件。

新型半導(dǎo)體材料有助于降低功耗，實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形設(shè)計(jì)

功率半導(dǎo)體開關(guān)和控制機(jī)制可將功率從一種形式轉(zhuǎn)換到另一種形式，為終端系統(tǒng)提供穩(wěn)壓和受控電源。過去，功率器件一直依賴于MOS技術(shù)，例如使用功率MOSFET（即MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管）來控制電路中的大電流或大功率，并作為分立組件用在開關(guān)電源和電機(jī)控制器中。電源管理IC（PMIC）既可嵌入標(biāo)準(zhǔn)芯片，也可用作獨(dú)立器件，執(zhí)行DC-DC轉(zhuǎn)換、電池充電和電壓調(diào)節(jié)等功能。總之，MOS技術(shù)構(gòu)成了PMIC市場(chǎng)的基礎(chǔ)。

SiC和GaN憑借電阻率更低、工作溫度和開關(guān)頻率更高，以及更出色的效率和功率密度等諸多優(yōu)勢(shì)，逐漸受到行業(yè)青睞。在純電和插電式混動(dòng)汽車領(lǐng)域，SiC熱度迅速飆升，因此業(yè)內(nèi)也在積極探索其在火車、卡車、飛機(jī)和輪船等大型運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，并有望在十年內(nèi)成為功率器件中的主要材料。筆記本電腦充電器的開發(fā)者也正嘗試從MOS轉(zhuǎn)向GaN，致力于設(shè)計(jì)出更小巧、更高效且更可靠的電源。

導(dǎo)通電阻是決定效率的關(guān)鍵要素，有利于進(jìn)一步優(yōu)化功率。電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，這意味著功率損耗。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸入端與輸出端之間的電阻是多少？與MOS相比，SiC和GaN的電阻都更低，因此更有助于提高系統(tǒng)效率。下表為不同器件組件的電阻值。

無論是MOS、SiC還是GaN，要想獲得更高效的器件，就必須采用更大規(guī)模的設(shè)計(jì)來降低導(dǎo)通電阻。然而，大規(guī)模設(shè)計(jì)也帶來了新的挑戰(zhàn)，即如何確保器件的一致導(dǎo)通性。如果器件的某個(gè)部分需要更多時(shí)間才能導(dǎo)通，總電流會(huì)流向已經(jīng)導(dǎo)通的部分，導(dǎo)致這些部分的電流密度高于預(yù)期，影響可靠性。下圖為CMOS器件中metal-3層的電流密度，并突出顯示了電流密度最高的區(qū)域。

功率器件布線錯(cuò)綜復(fù)雜，市面上用于準(zhǔn)確分析效率和可靠性的專業(yè)工具數(shù)不勝數(shù)。? 但在設(shè)計(jì)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的過程中，許多此類工具卻性能不足，無法滿足需求。此外，綜合全面的分析還必須考慮到封裝的影響。

顯然，面對(duì)持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)壓力和緊迫的上市時(shí)間目標(biāo)，開發(fā)者需要采用更高效的方法來構(gòu)建更為可靠持久的功率器件，滿足眾多應(yīng)用的需求。

用于優(yōu)化半導(dǎo)體功率器件的完整解決方案?

如果解決方案能夠自動(dòng)化執(zhí)行功率器件的優(yōu)化流程，將能極大地縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間，助力實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)。新思科技的Power Device WorkBench就是這樣一款解決方案。

Power Device WorkBench專為優(yōu)化功率晶體管而設(shè)計(jì)，通過細(xì)致分析和仿真復(fù)雜金屬互連中的電阻和電流來提高效率與可靠性，幫助開發(fā)者優(yōu)化設(shè)計(jì)的尺寸、可靠性、時(shí)序和溫度等參數(shù)。該解決方案搭載高吞吐量仿真引擎，可自動(dòng)糾正電遷移違例，協(xié)助識(shí)別設(shè)計(jì)布局的不足，從而提高效率和時(shí)序。

綜上所述，也就不難理解為何功率電子元件市場(chǎng)能夠發(fā)展得如火如荼。功率器件在眾多領(lǐng)域中占據(jù)核心地位。我們?nèi)粘Ｊ褂玫囊幌盗须姵毓╇娫O(shè)備，還有發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的汽車電氣化和可再生能源，都是促進(jìn)功率器件需求加速增長(zhǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

與此同時(shí)，開發(fā)者正試圖將更多功能集成到單個(gè)芯片中，并致力于達(dá)成高效能和小尺寸目標(biāo)，這使得器件本身變得越來越復(fù)雜。對(duì)此，像Power Device WorkBench這樣的完整功率優(yōu)化解決方案可幫助開發(fā)者克服重重難關(guān)，引入能夠進(jìn)一步提高器件效率的新材料，并解決由此帶來的挑戰(zhàn)。