【導(dǎo)讀】由于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙材料具有優(yōu)于硅 (Si) 的固有材料特性，因此工業(yè)界采用寬帶隙材料來(lái)滿足功率器件應(yīng)用中的低功耗需求。這種需求導(dǎo)致了基于 SiC 和 GaN 的 SBD 的制造。
隨著半導(dǎo)體器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，制造高能效產(chǎn)品成為研究人員和制造商的首要關(guān)注點(diǎn)。
肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 是引起研究人員和制造商興趣以實(shí)現(xiàn)高功率和高溫應(yīng)用目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵組件。
由于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙材料具有優(yōu)于硅 (Si) 的固有材料特性，因此工業(yè)界采用寬帶隙材料來(lái)滿足功率器件應(yīng)用中的低功耗需求。這種需求導(dǎo)致了基于 SiC 和 GaN 的 SBD 的制造。
肖特基勢(shì)壘二極管的一般示例。圖片由東芝提供
寬帶隙材料已被證明是高功率和高壓設(shè)備的有益選擇。
例如，制造商在用于光電應(yīng)用的激光二極管中使用 GaN。此外，過(guò)去，設(shè)計(jì)人員使用這種材料來(lái)制造高電子遷移率晶體管。
考慮到這一點(diǎn)，本文將探討近投放市場(chǎng)的一些 SBD、不同的半導(dǎo)體材料如何發(fā)揮作用以及對(duì) GaN SBD 的持續(xù)研究。
市場(chǎng)上近的肖特基勢(shì)壘二極管
如今，數(shù)據(jù)中心和通信設(shè)備需要高效的電源來(lái)維持電力設(shè)備的運(yùn)行。這些設(shè)備中的半導(dǎo)體在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)損耗。
富士電機(jī)用于數(shù)據(jù)中心和基站的 SDB
為了解決這個(gè)問(wèn)題，富士電機(jī)近發(fā)布了第二代分立式碳化硅基 SBD，適用于數(shù)據(jù)中心和通信基站的電源設(shè)備。
薄基板元件使 SDB 系列與眾不同，它縮短了電流流動(dòng)的距離，從而降低了大功率設(shè)備中的功率損耗。據(jù)說(shuō)該產(chǎn)品旨在節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)。
ROHM 的 Side-steps 熱失控
半導(dǎo)體行業(yè)的主要參與者羅姆 (ROHM) 也為其肖特基勢(shì)壘二極管的 RBQ 和 RBR 系列增加了 12 款新產(chǎn)品。
ROHM 的 SBD。圖片由ROHM提供
效率需要較低的正向電壓，但是，這會(huì)導(dǎo)致較高的反向電流，這可能會(huì)導(dǎo)致二極管擊穿——一種稱為熱失控的現(xiàn)象。
ROHM 的系列具有低正向電壓特性，同時(shí)保持低反向電流以避免熱失控并提高效率。
該系列旨在提供交流到直流的整流，使其在消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用。
SBD 中的 Si 與 SiC 與 GaN
盡管硅具有適用于功率器件應(yīng)用中的保護(hù)和整流的材料特性，但硅基二極管已經(jīng)達(dá)到其理論極限。
這些限制使其難以滿足高阻斷電壓、低開(kāi)關(guān)損耗和高開(kāi)關(guān)速度等高功率應(yīng)用所需的穩(wěn)健和高效性能要求。
另一方面，SiC 等寬帶隙材料可提供更快的開(kāi)關(guān)容量并降低功率損耗。
制造肖特基勢(shì)壘二極管的研究人員也希望利用 GaN。基于 GaN 的肖特基勢(shì)壘二極管可以在更高的頻率下運(yùn)行，同時(shí)在功率轉(zhuǎn)換器中保持低功率損耗。
研究人員注意到， GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣(2DEG) 具有高濃度和高遷移率。因此，研究人員有動(dòng)力在電力電子設(shè)備的高功率應(yīng)用中開(kāi)發(fā) GaN。
氮化鎵基肖特基勢(shì)壘二極管的研究
已經(jīng)有一些研究實(shí)驗(yàn)旨在開(kāi)發(fā)用于 SBD 的 GaN。這些實(shí)驗(yàn)通常旨在提高材料質(zhì)量和性能。
在中國(guó)南京大學(xué)先進(jìn)光子與電子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)這樣的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了關(guān)于 GaN SBD 的新發(fā)現(xiàn)。
研究人員制造了一種基于 GaN 的 SBD，其擊穿電壓為 10.6 KV，功率品質(zhì)因數(shù)（或 PFoM）超過(guò) 3.8 GW/cm2。憑借這一成果，研究人員發(fā)現(xiàn)基于 GaN 的 SBD 可能適用于超高壓應(yīng)用。
基于 GaN 的垂直功率肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)。圖片由Sun 等人提供
此外，研究人員近采用邊緣端接技術(shù)來(lái)改善基于 GaN 的垂直功率 SBD 的固有材料特性。
邊緣終止技術(shù)包括場(chǎng)板，它用于減少反向偏壓下的電場(chǎng)擁擠。該方法用于在反向偏壓下重新分布肖特基接觸金屬邊緣的電場(chǎng)。
總而言之，SBD 的進(jìn)步和好處是相對(duì)明顯的，并且隨著它研究 GaN 等新半導(dǎo)體材料，其勢(shì)頭將繼續(xù)增強(qiáng)。很高興看到基于 GaN 的 SBD 何時(shí)以及是否會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)。
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