GaN与SiC：两种流行宽禁带功率半导体对比

宽禁带(WBG)半导体在电力电子和高频电路领域掀起了一场风暴，取代了许多以前由硅基器件主导的应用，例如基站中的横向扩散MOS(LDMOS)大功率放大器(HPA)、高压DC/DC转换中的IGBT等。具体到电力电子领域，某些应用需要高开关频率的功率密集型解决方案，以最大限度地降低开关损耗，这已不是什么秘密。从电动汽车中的牵引逆变器、车载充电器和高压DC-DC转换器，到工业/商业应用中的不间断电源(UPS)和太阳能转换器，宽禁带半导体为许多下一代电子产品开辟了广阔的市场。

碳化硅(SiC)衬底已在电动汽车和一些工业应用中确立了自己的地位。然而，近来氮化镓(GaN)已成为许多重叠应用的有力选择。了解这两种衬底在大功率电路中的主要区别及其各自的制造考虑因素，或许能为这两种流行的复合半导体的未来带来启示。

宽禁带的优势

与传统的硅(Si)衬底相比，宽禁带材料本质上能够在更高的开关频率和更大的电场下工作。当半导体受热时，由于热激发载流子在高温下更为丰富，导致传导，其电阻往往会下降。更宽禁带的半导体需要更高的温度(更多的能量)来激发电子从价带跨越到导带。这将直接带来更强的功率处理能力和更高的器件效率。

从表1中可以看出，SiC和GaN的击穿电场、电子迁移率、饱和速度和热导率都远高于Si——所有这些因素都能提高开关频率和功率密度。但是，高开关频率会导致更多的损耗和更低的FET效率，因此优化功率器件的品质因数(FoM)，即R_ds(on)×Q_g，或优化沟道电阻和栅极电荷以降低传导损耗和开关损耗至关重要。

表1：Si、SiC和GaN的特性。

一般来说，GaN FET的最高电压约为650V，应用功率约为10kW，而750V和1200V SiC FET并不罕见，应用功率从1kW到数兆瓦不等(图1)。SiC具有出色的导热性，因此可以用更小的封装实现类似的额定功率。然而，GaN器件的开关速度更快(注意电子迁移率明显更高)，这反过来又可以转化为更高的dv/dt，从而有可能实现更高的转换器效率。

图1：各种功率器件的功率与频率关系图。(来源：德州仪器)

制造方面的考虑

早在去年3月，特斯拉宣布在Model 3中完全使用SiC后，SiC这一近期电力电子领域的宠儿就获得了巨大的关注。自2010年Cree将SiC MOSFET商业化以来，SiC的需求稳步上升，主要参与者利用《CHIPS法案》提供的税收减免来扩大业务，降低每片晶圆的成本。例如，Wolfspeed(前身为Cree)最近在新生产设施John Palmour制造中心投资了总计50亿美元，用于开发200mm(约8英寸)晶圆。

然而，事情并非如此简单：要在SiC制造领域站稳脚跟，就必须拥有专门用于SiC的昂贵设备。SiC晶圆的生长温度超过2700℃，生长速度至少比Si慢200倍，这就需要大量的能量。另一方面，GaN在很大程度上可以使用与Si半导体加工相同的设备，GaN外延晶圆可以在各自的衬底(通常是Si、SiC或蓝宝石)上生长，温度为1000至1200℃，不到SiC的一半。此外，SiC晶圆也比Si晶圆薄近50%(高达500μm)，因此材料相当脆，容易开裂和碎裂——这也是需要专用加工设备的另一个原因。

根据Wolfspeed首席执行官Gregg Lowe的说法，2018年6英寸SiC晶圆的成本约为3,000美元，而6年后的2024年，7英寸晶圆的成本就已降到约850美元。而且，随着SiC功率器件的不断成熟，每个晶圆的成本还将继续下降。优化成本的一个重大飞跃是扩大晶圆尺寸和增加每个晶圆的器件数量。对于硅基GaN来说，这一点相对简单，直径较大的晶圆厂每周可生产数千片8英寸晶圆，并通过CMOS工艺控制实现出色的产线良率(98%)。然而，类似的规模经济也可应用于SiC晶圆生产，因为现在的公司都在向8英寸晶圆迈进，而就在十年前，150mm(约6英寸)晶圆的大规模生产还只是刚刚开始。虽然SiC器件本身可能比Si和GaN器件昂贵，但事实上，要保持相同性能，所需的功率器件要少得多。在系统层面上，这意味着减少了栅极驱动器、磁性元件和其他外围器件，而这些器件原本可能会用于基于Si的设计中。

GaN电压超过700V

由于具有出色的高频特性，GaN与砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等其他复合半导体一样，已成为适用于单片微波集成电路(MMIC)和混合微波电路等高频电路的III-V族半导体。GaN尤其适用于发射信号链中的HPA。目前，许多GaN代工服务通常使用SiC基GaN处理高频应用，但最近，许多代工厂正将重点转向利用硅基GaN实现RF和电源应用。表2重点介绍了全球不同公司的一些GaN工艺技术。请注意，表中不包括所有GaN代工厂，例如GlobalFoundries或联电(UMC)，它们可能是硅基GaN技术的主要竞争者。

表2：部分GaN代工厂及其技术规格。

SiC和GaN在功率谱中的作用截然不同，但是，能否设计出更高电压的GaN器件来提升功率谱并与SiC抗衡呢？在GaN制造中占主导地位的GaN假晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)的击穿电压(约0.6至1.5MV/cm)一般在650V左右封顶，这是因为其临界击穿场存在固有限制[1-2]。为了改善GaN器件的击穿特性，研究人员正在探索达到3MV/cm固有极限的方法。

越来越多的制造商正在展示他们的700V GaN解决方案。有人谈到了1200V GaN FET——Transphorm于去年5月发布了其1200V蓝宝石基GaN FET的虚拟设计。除此之外，有关GaN提升功率谱的讨论大多停留在研发领域。NexGen Power Systems也在利用其鳍式JFET(Fin-JFET)技术研究1200V垂直GaN(GaN基GaN)晶体管[3]——这项技术的成功使该公司获得了美国能源部(DOE)的资助，用于开发基于GaN的电力驱动系统。然而，其中许多解决方案并非硅基GaN。

硅基GaN的主要优势可能只是搭上了硅半导体行业业已成熟的技术的顺风车，但是，使用硅衬底会带来一些设计挑战。主要限制因素有两个：GaN外延层和主衬底之间存在大的晶格失配和更大的热失配，导致两个衬底上产生拉伸和压缩应变，从而产生位错和更高的缺陷密度(表3)。业界正在研究其他衬底，以克服此问题。例如，Qromis最近设计了一种陶瓷聚氮化铝(AlN)层，该层与CMOS晶圆厂兼容，并且与GaN的热膨胀系数(CTE)匹配。

表3：GaN与Si、蓝宝石和SiC之间的晶格失配和热失配。(来源：[4])

镓的获取

虽然GaN晶圆的制造通常更为方便，但它们确实需要一种贵金属，而这种贵金属的供应在本质上是有限的。随着2019年中国进口关税的大幅上调，镓的供应面临压力，从中国进口的镓金属比2018年增加了300%，而2018年的过剩镓金属很可能被囤积起来。去年8月，中国限制镓出口，进一步减少了本已很少的中国进口量。由于中国生产了全球近98%的低纯度镓，这些禁令可能预示着一个问题。

然而，这个问题并没有真正扰乱镓基晶圆(GaAs或GaN)的生产，这主要是由于该稀有金属的囤积和转向其他来源(表4)。许多国家现在都有动力扩大十多年前因中国生产过剩而关闭的业务。不过，如果中国在短期内进一步限制出口，这可能是需要考虑的问题。同样重要的是，由于GaN晶圆是在各种衬底上生长GaN晶体而制成的，因此与在半绝缘GaAs晶圆上生长的GaAs pHEMT相比，每个器件使用的镓相对较少。因此，尽管考虑到近期镓供应受限的历史，这可能是需要考虑的问题，但它并没有真正影响到GaN的生产，将来也很可能不会。

表4：按国家或地区分列的美国未精炼镓进口情况。(来源：美国地质调查局USGS[5])

SiC和GaN

目前，SiC和GaN在功率谱的不同部分占主导地位，因此它们的应用也各不相同，只有部分重叠。但是，如果GaN FET能成功提高漏源电压，而又不削弱其目前巨大的制造优势，那么它很可能会摆脱目前主要在消费电子产品(例如USB充电器和AC适配器等)中的地位，进入SiC功率器件目前占主导地位的更大功率的应用领域。尽管如此，SiC制造并没有停滞不前，在晶圆尺寸和产量方面正在取得稳步进展，以降低SiC的成本。

EDN副主编Aalyia Shaukat已在设计出版业工作了七年。她拥有电气工程学士学位，曾在主要的电子工程期刊上发表过作品。

参考文献

1. Tian Z, Ji X, Yang D, Liu P. Research Progress in Breakdown Enhancement for GaN-Based High-Electron-Mobility Transistors. Electronics. 2023; 12(21):4435. https://doi.org/10.3390/electronics12214435
2. Exploring an Approach toward the Intrinsic Limits of GaN Electronics. Sheng Jiang, Yuefei Cai, Peng Feng, Shuoheng Shen, Xuanming Zhao, Peter Fletcher, Volkan Esendag, Kean-Boon Lee, and Tao Wang. ACS Applied Materials & Interfaces 2020 12 (11), 12949-12954. DOI: 10.1021/acsami.9b19697
3. R. Zhang et al., “Vertical GaN Fin JFET: A Power Device with Short Circuit Robustness at Avalanche Breakdown Voltage,” 2022 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Dallas, TX, USA, 2022, pp. 1-8, doi: 10.1109/IRPS48227.2022.9764569.
4. Kaminski, Nando, and Oliver Hilt. “SiC and GaN Devices – Wide Bandgap Is Not All the Same.” IET Circuits, Devices & Systems, vol. 8, no. 3, 2014, pp. 227-236. https://doi.org/10.1049/iet-cds.2013.0223. 
5. “Gallium Statistics and Information.” U.S. Geological Survey, [last modified August 29, 2023], usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/gallium-statistics-and-information.  [accessed on  2023-10-26].