Силовые полупроводники с широкой и сверхширокой запрещённой зоной: комплексный системный обзор

В настоящем обзоре анализируется переход от кремния к полупроводниковым материалам с широкой (WBG) и сверхширокой (UWBG) запрещённой зоной для силовой электроники с акцентом на технологии карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). В соответствии с методологией систематического обзора на основе PRISMA проанализированы 94 рецензируемые публикации, охватывающие технологии приборов, архитектуры преобразователей и системные применения. Используется нисходящий от фундаментальных свойств материалов к системным последствиям подход, включающий рассмотрение архитектур приборов и топологий преобразователей. Показано, как внутренние свойства материалов обеспечивают работу при повышенных температурах, напряжениях и частотах при одновременном снижении потерь. На основе анализа показателей качества и ключевых показателей эффективности на уровне системы количественно оцениваются преимущества WBG в автомобильной, промышленной сферах, возобновляемой энергетике и бытовой электронике: повышение плотности мощности в 3–5 раз и снижение стоимости на 20–40%. В обзоре представлены перспективные технологии приборов, включая вертикальный GaN для применений среднего напряжения и монолитные двунаправленные переключатели (BDS), обеспечивающие одноэтапное преобразование мощности. Впервые приведено комплексное сравнение на уровне топологий перспективных вертикальных GaN-приборов и монолитных двунаправленных переключателей с широко применяемыми решениями на основе SiC; определены конкретные области применения, в которых каждая из технологий обладает преимуществами. Представлено подробное сравнение SiC и GaN по отдельным топологиям, сформулированы рекомендации по выбору приборов. Рассмотрены практические ограничения, включая деградацию динамического сопротивления во включённом состоянии, нестабильность порогового напряжения и проблемы электромагнитных помех, характерные для SiC и GaN. Наконец, проанализированы перспективные материалы UWBG (β-Ga2O3, AlN, c-BN, алмаз), состояние их разработки, технологические сложности производства, особенности цепочек поставок и перспективы коммерциализации для применений со сверхвысоким напряжением.