碳化硅和氮化镓的特性、优势及应用范围

碳化硅和氮化镓：其特性优越

过去和现在的半导体——从锗到硅

半导体的历史可以追溯到1950年左右引入点接触晶体管。锗是当时半导体产品的主要材料，但后来，具有优越特性的硅取代了锗，并一直广泛使用到今天。

随着半导体制造设备的精度提高以及器件结构和晶圆工艺的优化，硅半导体产品随着时间的推移而发展。这为我们日常生活中电子产品的小型化和进步做出了重大贡献。

另一方面，特别是在功率半导体领域，使用物理性能值大大超过硅基半导体的化合物半导体的元件开发和实际应用取得了进展。

SiC和GaN：化合物功率半导体的损耗低于Si

从上述背景来看，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等材料最近越来越受到关注。

硅是一种单一化学物质;相比之下，SiC是碳与硅的化合物，GaN是镓与氮的化合物。因此，使用这些化合物生产的半导体称为“化合物半导体”。

此外，SiC和GaN提供的带隙比硅更宽（Si：1.1eV，SiC：3.3eV，GaN：3.4eV），因此它们也被称为“宽带隙半导体”。

宽带隙半导体的特点是介电击穿场强度高，因此允许击穿电压与硅相同，其耐压层比硅薄得多。

由于对引领后代的角色寄予厚望，这些半导体有时也被称为“下一代功率半导体”。

碳化硅和氮化镓：其物理特性优异

与硅相比，SiC和GaN（不仅作为宽带隙半导体，而且作为材料本身）在品质因数（εμeEc3）方面显示出其出色的性能水平：SiC高440倍，GaN高1130倍。

为了充分利用这些材料，目前正在进一步开发外围技术。用SiC或GaN基化合物半导体取代传统的硅基半导体将使电子设备更加紧凑和高效。

近年来，半导体材料中使用的SiC晶圆衬底质量的提高导致了更大直径晶圆的使用。因此，已经引入了高电流和低成本设备，并开始在许多设备中采用。

但是，GaN晶圆衬底仍然昂贵，因此通常采用具有水平结构并形成GaN活性层的低成本硅片衬底。这使得制造高电流产品变得困难;然而，GaN已被用于越来越多的应用，这些应用需要通过工艺小型化进行极快的开关操作。

硅器件可能被碳化硅/氮化镓器件取代的应用范围

SiC器件在电机驱动和其他高压/大电流应用中具有优势

SiC是一种用碳代替一半硅的化合物。碳和硅结合紧密，其晶体结构比单晶硅更稳定。因此，SiC具有很高的介电击穿场强度，从而使活性层非常薄。这使得器件具有比传统硅器件更高的击穿电压和更低的损耗。

作为硅IGBT的替代品，SiC器件在高电流和高耐压领域越来越受欢迎。

具体而言，预计在10kW以上的领域将扩大规模，在制造小型轻量化系统方面具有巨大优势，包括发电系统的功率调节器、电动家用HEMS和电动汽车（EV）。

GaN器件在开关电源和其他紧凑型/高频应用中具有优势

GaN具有比SiC更稳定的键结构和更高的介电击穿场强度。

目前，GaN器件通常由在硅衬底上形成的GaN活性层组成。因此，GaN器件的击穿电压不能像SiC器件那样高，但它们仍然适用于高频应用。在开关电源方面，通过高频开关，可以缩小电感器和其他外围元件的尺寸。

GaN器件有望应用于1kW以下的电源，在对小型设计要求很高的领域。

例如，GaN器件预计将被用作第5代移动通信系统（5G）基站的电源，预计未来几年将扩大其市场。

USB供电（USB-PD）标准的建立还允许充电器通过USB电缆接收和供应高达100W的功率。因此，越来越多的充电器（用于智能手机、笔记本电脑等）已经标准化。

小型智能手机充电器是长期首选的产品，因此需要提供可以快速充电以及可以支持笔记本电脑等中型电子设备的充电器，而不会改变其当前尺寸。然后，GaN器件将以最佳方式实现这种需求，并可能在未来加速其扩展到许多应用。

审核编辑：郭婷