碳化硅和氮化鎵：其特性優(yōu)越

過去和現(xiàn)在的半導(dǎo)體——從鍺到硅

半導(dǎo)體的歷史可以追溯到1950年左右引入點(diǎn)接觸晶體管。鍺是當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要材料，但后來，具有優(yōu)越特性的硅取代了鍺，并一直廣泛使用到今天。

隨著半導(dǎo)體制造設(shè)備的精度提高以及器件結(jié)構(gòu)和晶圓工藝的優(yōu)化，硅半導(dǎo)體產(chǎn)品隨著時(shí)間的推移而發(fā)展。這為我們?nèi)粘Ｉ钪须娮赢a(chǎn)品的小型化和進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。

另一方面，特別是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，使用物理性能值大大超過硅基半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體的元件開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用取得了進(jìn)展。

SiC和GaN：化合物功率半導(dǎo)體的損耗低于Si

從上述背景來看，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等材料最近越來越受到關(guān)注。

硅是一種單一化學(xué)物質(zhì);相比之下，SiC是碳與硅的化合物，GaN是鎵與氮的化合物。因此，使用這些化合物生產(chǎn)的半導(dǎo)體稱為“化合物半導(dǎo)體”。

此外，SiC和GaN提供的帶隙比硅更寬（Si：1.1eV，SiC：3.3eV，GaN：3.4eV），因此它們也被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”。

寬帶隙半導(dǎo)體的特點(diǎn)是介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)度高，因此允許擊穿電壓與硅相同，其耐壓層比硅薄得多。

由于對(duì)引領(lǐng)后代的角色寄予厚望，這些半導(dǎo)體有時(shí)也被稱為“下一代功率半導(dǎo)體”。

碳化硅和氮化鎵：其物理特性優(yōu)異

與硅相比，SiC和GaN（不僅作為寬帶隙半導(dǎo)體，而且作為材料本身）在品質(zhì)因數(shù)（εμeEc3）方面顯示出其出色的性能水平：SiC高440倍，GaN高1130倍。

為了充分利用這些材料，目前正在進(jìn)一步開發(fā)外圍技術(shù)。用SiC或GaN基化合物半導(dǎo)體取代傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體將使電子設(shè)備更加緊湊和高效。

近年來，半導(dǎo)體材料中使用的SiC晶圓襯底質(zhì)量的提高導(dǎo)致了更大直徑晶圓的使用。因此，已經(jīng)引入了高電流和低成本設(shè)備，并開始在許多設(shè)備中采用。

但是，GaN晶圓襯底仍然昂貴，因此通常采用具有水平結(jié)構(gòu)并形成GaN活性層的低成本硅片襯底。這使得制造高電流產(chǎn)品變得困難;然而，GaN已被用于越來越多的應(yīng)用，這些應(yīng)用需要通過工藝小型化進(jìn)行極快的開關(guān)操作。

硅器件可能被碳化硅/氮化鎵器件取代的應(yīng)用范圍

SiC器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他高壓/大電流應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)

SiC是一種用碳代替一半硅的化合物。碳和硅結(jié)合緊密，其晶體結(jié)構(gòu)比單晶硅更穩(wěn)定。因此，SiC具有很高的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)度，從而使活性層非常薄。這使得器件具有比傳統(tǒng)硅器件更高的擊穿電壓和更低的損耗。

作為硅IGBT的替代品，SiC器件在高電流和高耐壓領(lǐng)域越來越受歡迎。

具體而言，預(yù)計(jì)在10kW以上的領(lǐng)域?qū)U(kuò)大規(guī)模，在制造小型輕量化系統(tǒng)方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，包括發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、電動(dòng)家用HEMS和電動(dòng)汽車（EV）。

GaN器件在開關(guān)電源和其他緊湊型/高頻應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)

GaN具有比SiC更穩(wěn)定的鍵結(jié)構(gòu)和更高的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)度。

目前，GaN器件通常由在硅襯底上形成的GaN活性層組成。因此，GaN器件的擊穿電壓不能像SiC器件那樣高，但它們?nèi)匀贿m用于高頻應(yīng)用。在開關(guān)電源方面，通過高頻開關(guān)，可以縮小電感器和其他外圍元件的尺寸。

GaN器件有望應(yīng)用于1kW以下的電源，在對(duì)小型設(shè)計(jì)要求很高的領(lǐng)域。

例如，GaN器件預(yù)計(jì)將被用作第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）基站的電源，預(yù)計(jì)未來幾年將擴(kuò)大其市場(chǎng)。

USB供電（USB-PD）標(biāo)準(zhǔn)的建立還允許充電器通過USB電纜接收和供應(yīng)高達(dá)100W的功率。因此，越來越多的充電器（用于智能手機(jī)、筆記本電腦等）已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

小型智能手機(jī)充電器是長期首選的產(chǎn)品，因此需要提供可以快速充電以及可以支持筆記本電腦等中型電子設(shè)備的充電器，而不會(huì)改變其當(dāng)前尺寸。然后，GaN器件將以最佳方式實(shí)現(xiàn)這種需求，并可能在未來加速其擴(kuò)展到許多應(yīng)用。

審核編輯：郭婷