据行业研究公司称yoledéveloppement.，电子制造在U.S. GDP的稳定速率下，部分原因是由于电力电子器件（图。1）．电力设备已在不同的市场段中找到了高价值产品，如信息技术，电动机驱动器，电网基础设施，汽车和航空航天。虽然前三个是成熟市场，电气航空航天和汽车正在发展。
1.电力设备市场继续扩大和增长。
对于发电业，电力设备的进步正在继续推动高效且可靠的电网基础设施。目前，高达40％的产生电力通过发电和最终使用之间的电力电子设备。随着数据中心应用的功耗与总电力消耗相比，数据中心架构依赖于高效率设计。电力电子设备的创新驱动更多的电气航空应用，例如没有更多或全电动发动机的液压网络。
在电动车辆中，功率器件用于储能，电驱动和电源转换，内部，热，动力系和底盘。电动车采用为电力电子设备提供了大量的机会。预计将于2022年增长到3B美元的市场。
由于优异的材料特性，驱动生长的两种主要技术是SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）。SIC通常用于高功率应用（10 kV及以上），具有较低的开关损耗和更低的成本，但具有较低的可靠性。GaN通常用于高速应用（更高的开关频率）。其他优点是高工作温度，击穿电压高，更坚固，可靠，rad-Hard。然而，它具有材料不匹配（Si或SiC的GaN）的缺点和更高的成本。这桌子提供关键材料属性的摘要。
SiC和GaN技术已经在如下应用中找到了它们的空间图2.．
2.宽带隙半导体将在一系列应用程序中找到房屋。（资料来源：GaN系统，款式）
制造挑战
由于市场体积有限，直到最近，在这个空间中的制造业都没有太大的进步。该行业能够满足大多数在2-和4英寸的需求。晶圆直径过程直到过去十年结束。行业采用6英寸。晶圆几年后，使用8英寸的生产量有限。晶圆过程是需求正在拾取的标志。
然而，与数字逻辑行业相比，它就相形见绌了，数字逻辑行业已经转向了12英寸。晶圆工艺是很久以前的事了。显然，哪里有需求哪里就有供应。电力设备的市场采用受不断发展的应用程序和成熟的制造业(在成本和缺陷减少方面)的驱动，将成为未来几年的主要增长动力。
让我们看看涉及主要来自制造过程本身的所谓外在缺陷的主要方面的一个主要方面。涉及缺陷的起源时的一个重要加工步骤是外延沉积。使用该步骤形成体积漂移层。这是一个需要具有高纯度的长处理步骤，但它具有高倾向来产生更多缺陷。
另一种随后的然而且关键步骤是所谓的离子植入，其中适当的掺杂剂被添加到堆层中。需要在晶片和晶片和批次之间紧密地控制过程变化以实现均匀的厚度。公差外的变化显着改变了器件特性。
设备性能度量，例如指示设备上的电压的击穿电压是由厚度和掺杂均匀性的过程的质量确定的。栅极氧化物中较高的缺陷密度可以是故障机制的限制因素，例如时间依赖于时间介电击穿（TDDB）。
制造技术的进步将在不仅能够实现大量生产能力的关键作用，而是将优质产品提供给市场。
宽带隙设备的优点
与其硅对手相比，总结了宽带隙设备的优势的最多的图形是所示着名的Web图图3.．如图所示，大的带隙和临界电场使高电压被薄层阻挡，从而导致较低的电阻和相关的导电损耗。薄层不仅提供低导通电阻，而且允许更小的形状因数和降低的电容，导致更高的频率工作。
3.宽带隙半导体提供硅的许多优点。（资料来源：PowerAmerica，Veliadis）
大的带隙也产生低的本征载流子浓度，导致低泄漏和高温操作。大的导热系数是高功率操作和有限的冷却需求的关键好处。
设备类型
有很多器件结构;每种类型都是唯一的，用于满足特定的需求。对于碳化硅技术，所有器件类型都试图达到的标准是低通态电阻(RDS(上)）和高击穿电压（V布鲁斯）。横向设备已经常见，但它们具有阻塞电压所需的大面积的限制。具有堵塞电压的SIC器件，高达+ 900 V通常是垂直配置。
碳化硅技术制造了多种类型的器件。单极器件是由一个载流子传导的器件，例如电子。一些单极器件是MOSFET、JFET和结势垒肖特基二极管。这些有较高的传导损耗，但更快的开关。一些双极器件是BJT、可控硅、ISBT和PIN二极管。由于电子和空穴都是载流子，它们具有较低的传导损耗，但它们利用的是较慢的开关和较高的损耗。
由于其优异的特性，高电子迁移率晶体管（HEMT）是常用GaN技术的器件结构。它纯粹是横向类型，并且设备在耗尽模式和增强模式下操作。耗尽模式通常是开启的，可以使用负电压关闭。通过在栅极处的正电压施加正电压，通常会关闭并打开增强模式。它具有较低的传导损耗（rDS(上)）具有更快的开关速度，如图所示图2.．由于没有身体二极管操作，由于振铃或EMI效应，没有与此设备类型相关联的损失。
可靠性
宽频带隙器件易受不同失效机制的影响，其中一些失效机制在硅器件中很常见。由于这些器件的高阻塞电压，可能出现以下击穿现象:栅极氧化物击穿，SiC击穿，边缘终止击穿，阈值电压随时间漂移，或由于电阻增加而减少的电流。
由于高阻塞电压，需要高电场可靠性。加速寿命测试，如HTOL、HTGB、HTRB(分别为高温工作寿命、栅偏置和反向偏置)，在发货前对边缘部件进行筛选。然而，对于某些类型的设备，它们不能完全捕捉或描述内部磨损和老化失效机制，如介电击穿(TDDB)或偏置温度不稳定性(BTI)。
当由于高电场导致的界面和散装疏水阀的形成时，发生介电击穿，最终导致短暂的。根据所用的设备类型和材料，在发生固有可靠性机制之前可能发生雪崩击穿等其他故障。
阈值电压稳定性（P或NBTI，取决于所施加偏差的极性）是另一个重要的内在可靠性机制，导致器件阈值电压逐渐变换（V.钍)，影响通态和阻塞特性。氮化镓器件在正向偏置过程中容易在栅介质中发生介质击穿，在关断状态时靠近场板和栅角。
根据应用程序，有一个不能忽略的功率设备的第三象限操作。通常在HTOL测试中强调体二极管的可靠性，但是不完全表征对应于这种操作的失效机构。产品资格，根据其服务的市场，需要进行标准测试，以展示带有行业标准模型和参数的零故障（例如，0.7eV激活能量）。它们不是基于任务配置文件的测试到失败的类型测试，这带出了设备的真实性能特征和可靠性。
宽带隙装置易受陆地中子的影响。当设备受到中子粒子的影响时，它具有与晶格原子碰撞的倾向，在轨迹中产生电离路径。这导致电流瞬变导致门烧坏。这是一种寄生双极导通效果或栅极破裂，即氧化栅极失效。
一些可靠性问题突然出现在包装上。硅封装技术对于宽频带隙器件来说是不够的。为了尽量减少由于高功率耗散而产生的热阻和热机械应力，通常需要双面冷却。通常用于低压逻辑器件的线结合技术将被平面互连所取代，这种平面互连采用顶部铜片焊接到模具上。封装材料应具有介电强度要求，以满足模具的高工作电压和温度。最后，模具附件和界面材料必须具有高熔点和良好的导热性。
标准资格并不建议该部件可以满足所需的寿命，也不是它具有较低的缺陷。苛刻的经常不同的使命概况比被测试的都可以产生尚未通过标准测试筛选的现场加速和失败模式。在产品或系统设计之前，必须通过正确的软件分析工具和技术来解决可靠性挑战，以防止昂贵的现场故障。
新兴技术
新兴技术领域正在进行的研究集中于将超宽带设备推向市场。与现有的材料类型Si、SiC、GaAs或GaN相比，金刚石和氮化铝(AIN)等材料具有更高的击穿场强，但它们的实际应用有限。
在4.5至5.0的范围内的超宽带隙材料的目的是推动击穿强度要高得多，而不会影响其他关键性质，如电子迁移率和导热性。需要更多的设备结构优化来获得所需的性能指标以令人满意的级别。
挑战与未来机遇
随着汽车，电气航空航天和数据中心应用等发展的市场段的市场要求比传统市场更严格，宽带隙设备能力必须增加，以展示高结温（175至200°C）范围为更高质量级产品的操作，0 ppm的目标，展示了明显更高的场地，更深入地了解与模具，包装和系统级相关的失效模式。
由于新兴应用程序开始推动增长并定义要求，机会将本身将为制造和设备设计的进步提出，以实现更高的质量，可靠性和成本降低的更高卷。
Ashok Alagappan是公司的首席咨询工程师有限元分析软件．
