《电子技术应用》

同为宽禁带半导体材料,SiC和GaN有何不同?

作者:王伟
2018/10/10 17:08:15

  禁带宽度是半导体材料的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构。禁带越宽,意味着电子跃迁到导带所需的能量越大,也意味着材料能承受的温度和电压越高,越不容易成为导体;禁带越窄,意味着电子跃迁到导带所需的能量越小,也意味着材料能承受的温度和电压越低,越容易成为导体。

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  图 主要半导体材料的禁带宽度与吸收边波长

  根据半导体材料的禁带宽度的不同,可分为宽禁带半导体材料和窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg< 2.3eV(电子伏特),则称为窄禁带半导体,如锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)以及磷化铟(InP);若禁带宽度Eg>2.3eV则称为宽禁带半导体,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、H碳化硅(HSiC)、H碳化硅(HSiC)、氮化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。

  随着硅(Si)与化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)在光电子、电力电子和射频微波等领域器件性能的提升面临瓶颈,不足以全面支撑新一代信息技术的可持续发展,难以应对能源与环境面临的严峻挑战,宽禁带半导体材料迎来广阔的发展机遇。

  在宽禁带半导体材料中,SiC和GaN最受关注,由于其宽带隙特性可以进一步提高功率器件的性能,因此尤其受到功率半导体市场的青睐。据预测, SiC和GaN功率半导体市场规模将在2020年达到近10亿美元,主要推动力来自混合动力及电动汽车、电力和光伏逆变器等方面的需求。市场的渗透也在增长,特别是在中国,肖特基二极管、MOSFET、结栅场效应晶体管(JFET)和其他SiC分立器件已经出现在量产汽车DC-DC转换器、车载电池充电器之中。

  在应用上,SiC 和GaN的优势也是互补的。GaN拥有更高的热导率和更成熟的技术,而GaN 直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异。SiC的市场应用偏向高频小电力领域,集中在1000V以下;而SiC 适用于1200V 以上的高温大电力领域,两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

  与GaN 相比,SiC热导率是GaN 的三倍以上,在高温应用领域更有优势;同时SiC单晶的制备技术相对更成熟,所以SiC 功率器件的种类远多于GaN。 但是GaN并不完全处于劣势,甚至被称为SiC器件获得成长的最大抑制因素。随着GaN制造工艺在不断进步,在GaN-on-Si外延片上制造的GaN器件具有相当低的成本,比在SiC晶片上制造任何产品都更为容易。由于这些原因,GaN晶体管可能会成为2020年代后期逆变器中的首选,优于较昂贵的SiC MOSFET。数据显示,2023年全球GaN器件市场规模将达到224.7亿美元。

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  基于SiC、GaN功率器件的前景可期,已吸引众多公司进入这一市场,英飞凌、恩智浦、安森美、ST、德州仪器、罗姆、TDK、松下、东芝、等实力选手也纷纷加入战局。在国内电源管理IC厂商中,也有包括矽力杰、晶丰、士兰微、芯朋微、东科、比亚迪等战将,但显然这一市场仍以日美欧厂商为主角。

  我国早已经在大力扶持第三代半导体产业。2016年国务院就出台了《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出以第三代半导体材料等为核心,抢占先进电子材料技术的制高点。


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