深度剖析超宽禁带技术，看它如何成就卓越设计！

作者：Paul Golata

追求更高的性能

意大利血统让我不仅热爱意大利美食，就连汽车也是喜欢法拉利SF90 Stradale比雷克萨斯ES300多一些。SF是Scuderia Ferrari的缩写，90表示成立90周年，因此可以看出这是一款为庆祝法拉利车队成立90周年推出的公路跑车。SF90 Stradale是首款采用插电式混合动力电动汽车（PHEV）架构的法拉利跑车，其内燃发动机集成了三台电动机。尽管法拉利的混合动力汽车被誉为高性能的工程艺术品，但这款新的混合动力电动汽车更是具备超凡极致的表现（车辆仅在2.5秒内可达0-100公里/小时速度），创下了法拉利最新记录。

图源：Nibaphoto/Shutterstock.com

卓越的性能

与SF90一样，超宽禁带（UWBG）半导体具有许多卓越的性能，它的出现为许多领域开辟了新的机遇。UWBG禁带比硅（Si，禁带宽度1.1eV）、宽禁带半导体（如GaN，禁带宽度3.4eV）和碳化硅（SiC，禁带宽度3.3eV）都要宽得多。其中，氧化镓（Ga₂O₃）、立方氮化硼（C-BN）、氮化铝镓（AlGaN）等材料是UWBG的典型代表。本文将对这些UWBG半导体材料及其在电子设计中的潜在应用进行介绍。本文中的UWBG是指禁带宽度≥4eV的半导体材料。

宽禁带（WBG）

在了解UWBG半导体之前，我们先回顾一下WBG半导体有别于传统硅器件的地方。WBG半导体与同等的硅器件相比更小、更快、更高效。WBG器件能在极具挑战性的操作条件下提供极高的可靠性。在电力电子领域，WBG与Si相比具有如下特性：损耗低、效率高、开关频率高、设计紧凑、耐高温、在恶劣环境下仍能稳定工作，以及高击穿电压等特性。此外，WBG的应用范围十分广泛，从电机驱动器和电源等工业应用，到混合动力和电动汽车（HEV/EV）、光伏（PV）逆变器、铁路和风力涡轮机等汽车和运输系统都有所涉及。WBG产品供应商有：

• GaN Systems

• Infineon Technologies

• ON Semiconductor

• Qorvo

• ROHM Semiconductor

• STMicroelectronics

• Wolfspeed/Cree

UWBG半导体材料

氮化铝镓（AlGaN）

GaN是WBG半导体材料的典型代表。当铝与氮化镓产生反应时，就产生了AlGaN这种UWBG半导体材料，它的禁带宽度通常在3.4eV-6.2eV的范围内。AlGaN可以支持波长约为220nm-450nm的光，因此常被用于制造发光二极管（LED）和激光二极管。此外，它还可用于紫外探测器和高电子迁移率晶体管（HEMT）。

氮化铝（AlN）

Al与氧化氮（也称为氮化物）经过化合反应就会产生氮化铝（AlN）（如图1所示）。与AlGaN一样，AlN也常被用于光电产品，比如紫外线（UV）LED灯。AlN禁带宽度为6.1eV，导热性优，化学稳定性好，并具有高工作频率和高功率等特性。

图1：氮化铝（AlN）通常用于紫外线（UV）LED等光电器件（图源：Orange Deer studio/Shutterstock.com）

立方氮化硼（C-BN）

硼和氮（图2）经过化合反应可以生成氮化硼，立方氮化硼（C-BN）即为其中一种。C-BN的禁带宽度为6.4eV。这种化合物的独特之处在于，它与禁带宽度为5.5eV的金刚石、纯碳具有相似的性质。金刚石是自然界中最坚硬的材料，C-BN不像金刚石那么硬，但它能提供更高的化学和热稳定性。

图2：带有周期表信息的硼和氮化学符号，背景为原子结构

氧化镓（Ga₂O₃）

Ga₂O₃禁带宽度为4.9eV，它是一种无机化合物，可以说是镓的氧化物（见表1），主要用于光电应用。这种材料可以在室温下进行掺杂，在多个领域具有潜在优势。科学家们正在探索利用熔体生长制造大块单晶的低成本、大直径晶片的可能性。

材料	禁带宽度（eV）
氧化镓（Ga2O3）	4.9
金刚石	5.5
氮化铝（AlN）	6.1
氮化铝镓（AlGaN）	6.2
立方氮化硼（C-BN）	6.4

表1：几种UWBG材料的禁带宽度对比（来源：作者）

对电力电子设备的影响

WBG半导体在各种应用中均实现了更有效、紧凑的功率转换，并且具有较低的欧姆损耗。探索UWBG半导体材料的动机是希望大幅提升功率密度，类似于从Si到WBG元件的转变。UWBG半导体还拥有在不引发热击穿或可靠性问题的情况下切换大电压的潜力，例如，AlGaN的R_on值可能比GaN低10倍。UWBG还具有以下几种特征：

• 高频、高效率

• 低欧姆损耗

• 较少的元件数

• 高可靠性

品质因数

工程师采用品质因数（FOM）来表示转换器功率密度（即每单位体积处理的功率量）的高低。我们通常使用下面两个基本FOM来表征半导体材料与功率密度的关系：

vUFOM：（ɛµ_nE_c³）/4
HM-FOM：E_cµ_n^1/2

UFOM公式是由关态、高斯定律和开态之间的数学关系推导出的。其中，我们需要特别关注的是临界电场E_c，GaN的E_C介于4和5之间，而AlN的E_c则约为13。

Si的相对FOM为1。将GaN和AlN的E_c值代入上述FOM公式，即可看到AlN以及相关UWBG半导体材料拥有非常高的FOM值，据此可以预测出UWBG将让高密度电源转换应用迎来广阔的发展前景（表2）。目前设计人员正在对两终端器件进行评估，包括PiN、肖特基势垒（SBD）、结势垒肖特基（JBS）及混合PiN/Schottky（MPS）二极管，以试图开发出可行的元件。

	Si	GaN	AIN
vFOM	1	1,480	43,650
HM-FOM	1	11.3	30.5