SiC, GaN…新型半導體材料為何如此火爆？

功率器件是系統(tǒng)能效的關鍵，廣泛影響著從小家電到外太空技術各個領域。近年來，電動汽車、移動應用、可再生能源等領域的普及對更高效的SoC和系統(tǒng)提出了更高需求，同時也對更高效率和功率密度的半導體功率器件提出了更高需求，功率器件逐漸成為焦點。此外，減少碳排放的需求也間接推動了半導體功率器件的發(fā)展。據(jù)Mordor Intelligence預測，到2028年，這一市場的價值將從今年的418.1億美元增長至492.3億美元。

如何開發(fā)高能效的半導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）等新型半導體材料，同時增加設計復雜性。本文將與各位開發(fā)者共同探討開發(fā)高效半導體功率器件的條件。

新型半導體材料有助于降低功耗，實現(xiàn)更緊湊的外形設計

功率半導體開關和控制機制可將功率從一種形式轉換到另一種形式，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，例如使用功率MOSFET（即MOS場效應晶體管）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電源和電機控制器中。電源管理IC（PMIC）既可嵌入標準芯片，也可用作獨立器件，執(zhí)行DC-DC轉換、電池充電和電壓調節(jié)等功能。總之，MOS技術構成了PMIC市場的基礎。

SiC和GaN憑借電阻率更低、工作溫度和開關頻率更高，以及更出色的效率和功率密度等諸多優(yōu)勢，逐漸受到行業(yè)青睞。在純電和插電式混動汽車領域，SiC熱度迅速飆升，因此業(yè)內也在積極探索其在火車、卡車、飛機和輪船等大型運輸系統(tǒng)中的應用，并有望在十年內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轉向GaN，致力于設計出更小巧、更高效且更可靠的電源。

導通電阻是決定效率的關鍵要素，有利于進一步優(yōu)化功率。電阻會產生熱量，這意味著功率損耗。當晶體管導通時，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)模的設計來降低導通電阻。然而，大規(guī)模設計也帶來了新的挑戰(zhàn)，即如何確保器件的一致導通性。如果器件的某個部分需要更多時間才能導通，總電流會流向已經導通的部分，導致這些部分的電流密度高于預期，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。

功率器件布線錯綜復雜，市面上用于準確分析效率和可靠性的專業(yè)工具數(shù)不勝數(shù)。? 但在設計規(guī)模持續(xù)擴大的過程中，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，面對持續(xù)的競爭壓力和緊迫的上市時間目標，開發(fā)者需要采用更高效的方法來構建更為可靠持久的功率器件，滿足眾多應用的需求。

用于優(yōu)化半導體功率器件的完整解決方案?

如果解決方案能夠自動化執(zhí)行功率器件的優(yōu)化流程，將能極大地縮短周轉時間，助力實現(xiàn)質量目標。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)化功率晶體管而設計，通過細致分析和仿真復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)化設計的尺寸、可靠性、時序和溫度等參數(shù)。該解決方案搭載高吞吐量仿真引擎，可自動糾正電遷移違例，協(xié)助識別設計布局的不足，從而提高效率和時序。

綜上所述，也就不難理解為何功率電子元件市場能夠發(fā)展得如火如荼。功率器件在眾多領域中占據(jù)核心地位。我們日常使用的一系列電池供電設備，還有發(fā)展勢頭強勁的汽車電氣化和可再生能源，都是促進功率器件需求加速增長的關鍵驅動力。

與此同時，開發(fā)者正試圖將更多功能集成到單個芯片中，并致力于達成高效能和小尺寸目標，這使得器件本身變得越來越復雜。對此，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，引入能夠進一步提高器件效率的新材料，并解決由此帶來的挑戰(zhàn)。