碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）

一旦硅開始達(dá)不到電路需求，碳化硅和氮化鎵就作為潛在的替代半導(dǎo)體材料浮出水面。與單獨(dú)的硅相比，這兩種化合物都能夠承受更高的電壓、更高的頻率和更復(fù)雜的電子產(chǎn)品。這些因素可能導(dǎo)致碳化硅和氮化鎵在整個(gè)電子市場(chǎng)上得到更廣泛的采用。

讓我們探討一下碳化硅和氮化鎵之間的主要區(qū)別，這將有助于我們了解何時(shí)最有效地應(yīng)用這些化合物。

碳化硅和氮化鎵之間的電氣差異

我們可以使用幾個(gè)共同特征來(lái)分析半導(dǎo)體晶圓材料的能力。以下每個(gè)因素都會(huì)影響半導(dǎo)體的性能：

寬帶隙半導(dǎo)體

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）在帶隙和擊穿場(chǎng)方面相對(duì)相似。氮化鎵的帶隙為3.2 eV，而碳化硅的帶隙為3.4 eV。雖然這些值看起來(lái)相似，但它們明顯高于硅的帶隙。硅的帶隙僅為1.1 eV，比鎵和碳化硅小三倍。這些化合物的較高帶隙允許氮化鎵和碳化硅舒適地支持更高電壓的電路，但它們不能像硅那樣支持低壓電路。

擊穿場(chǎng)強(qiáng)度

氮化鎵和碳化硅的擊穿場(chǎng)相對(duì)相似，氮化鎵的擊穿場(chǎng)為3.3 MV/cm，而碳化硅的擊穿場(chǎng)為3.5 MV/cm。與普通硅相比，這些擊穿場(chǎng)使化合物明顯更好地處理更高的電壓。硅的擊穿場(chǎng)為0.3 MV/cm，這意味著氮化鎵和碳化硅保持更高電壓的能力幾乎高出十倍。它們還能夠使用明顯更小的器件支持較低的電壓。

高電子遷移率晶體管（HEMT）

氮化鎵和碳化硅之間最顯著的區(qū)別在于它們的電子遷移率，這表明電子在半導(dǎo)體材料中的移動(dòng)速度。首先，硅的電子遷移率為1500 cm^2/Vs.氮化鎵的電子遷移率為2000 cm^2/Vs，這意味著電子的移動(dòng)速度比硅的電子快30%以上。然而，碳化硅的電子遷移率為650 cm^2/Vs，這意味著碳化硅的電子比GaN和硅的電子移動(dòng)得慢。憑借如此高的電子遷移率，GaN幾乎是高頻應(yīng)用的三倍。電子可以通過氮化鎵半導(dǎo)體比SiC快得多。

氮化鎵和碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)

材料的導(dǎo)熱性是其通過自身傳遞熱量的能力。考慮到材料的使用環(huán)境，導(dǎo)熱系數(shù)直接影響材料的溫度。在大功率應(yīng)用中，材料的低效率會(huì)產(chǎn)生熱量，從而提高材料的溫度，并隨后改變其電氣特性。氮化鎵的導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/cmK，實(shí)際上比硅的導(dǎo)熱系數(shù)差，硅的導(dǎo)率為1.5 W/cmK。然而，碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為5 W/cmK，使其在傳遞熱負(fù)荷方面提高了近三倍。這一特性使碳化硅在高功率、高溫應(yīng)用中具有很高的優(yōu)勢(shì)。

半導(dǎo)體晶圓制造工藝

目前的制造工藝是氮化鎵和碳化硅的限制因素，因?yàn)檫@些工藝比廣泛采用的硅制造工藝更昂貴、精度更低或能源密集。例如，氮化鎵在小面積上含有大量的晶體缺陷。另一方面，硅每平方厘米只能包含100個(gè)缺陷。在本世紀(jì)之前，制造商無(wú)法制造出缺陷數(shù)低于十億/厘米的GaN襯底。顯然，這種巨大的缺陷率使得GaN效率低下。雖然制造商近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但GaN仍在努力滿足嚴(yán)格的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)要求。

功率半導(dǎo)體市場(chǎng)

與硅相比，目前的制造技術(shù)限制了氮化鎵和碳化硅的成本效益，使這兩種高功率材料在短期內(nèi)更加昂貴。然而，這兩種材料在特定半導(dǎo)體應(yīng)用中都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

碳化硅在短期內(nèi)可能是一種更有效的產(chǎn)品，因?yàn)樗鹊壐菀字圃旄?、更均勻的SiC晶片。隨著時(shí)間的推移，鑒于其更高的電子遷移率，氮化鎵將在小型高頻產(chǎn)品中找到自己的位置。碳化硅在較大的功率產(chǎn)品中將更可取，因?yàn)樗墓β誓芰捅鹊壐叩膶?dǎo)熱性。了解更多信息并購(gòu)買各種電源產(chǎn)品，包括氮化鎵和碳化硅MOSFET。

審核編輯：湯梓紅