碳化硅和氮化镓将在高功率设计中大显身手

传统的硅(Si)半导体在许多低功率和低电压应用中大显身手，然而在高功率和高电压的电力系统中，硅、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这三种半导体都正在得到或已得到广泛的应用。然而，它们之间却大不相同，各具特色。

几乎是所有的设计人员都应该对硅工艺最为熟悉，从我接触这个行业开始，它就一直是首选的工艺技术。那么，半导体硅的历史到底有多久远？早在1824年，瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius就将二氧化硅容器中的钾片加热，然后小心地冲洗掉残留的副产物，最后得到了硅。

而第一种商用碳化硅(碳化硅)半导体材料专利则于1906年由Henry Harrison Chase Dunwoody获得；这种碳化硅材料被用于一种合成碳化硅，即晶体无线电“金刚砂”检波二极管。

接下来，加州大学圣塔巴巴拉分校(UCSB)工程学院的Steven DenBaars、James Speck和Umesh Mishra 教授于1993年公布了他们在将氮化镓作为半导体介质上所做的努力。

图1：当前适用于高压应用的三种基础半导体材料。(资料来源：Bonnie Baker)

这三种器件材料的特性各不相同。要揭示其差异，最好通过三个方面来进行说明，即电气性能规格、物理尺寸和成本。了解这些差异将有助于我们更有效地应用这些半导体材料。

Si、碳化硅和氮化镓之间的电气性能差异

宽带隙(WBG)半导体的电气规格包括频率范围、击穿场强、高电子迁移率晶体管(HEMT)和热导率(见图2)。

图2：功率与频率的关系图揭示了硅、碳化硅和氮化镓等半导体的基本特性。(资料来源：德州仪器)

宽带隙半导体

氮化镓和碳化硅具有相似的带隙宽度和击穿场。氮化镓的带隙宽度为3.2 eV，而碳化硅的带隙宽度为3.4 eV。虽然带隙值几乎相同，但碳化硅具有大约1,700 V的最大击穿电压，远高于氮化镓的650 V。

与此同时，硅的带隙宽度为1.1 eV，低于氮化镓和碳化硅几乎三倍。因此，尽管氮化镓和碳化硅的宽带隙可以轻松支持更高电压的电路，但它们无法像硅一样支持较低电压的电路。

当雪崩式倍增过程引发大量电流在源极和漏极之间流动时，击穿电压BVDSS粉墨登场。此时，反向偏置的体漂移二极管将被击穿，而栅极和源极之间将被短路。

击穿场强

碳化硅和氮化镓的击穿场接近，其中碳化硅的击穿场为3.5 MV/cm，氮化镓的击穿场为3.3 MV/cm。而硅器件的击穿场仅为0.3 MV/cm，这意味着氮化镓和碳化硅耐受更高电压的能力是硅的10倍以上。因此，与硅相比，高击穿场使氮化镓和碳化硅能够轻松应对更高的电压。

商用碳化硅晶体管(JFET、MOSFET)可以阻断高达1,700 V的电压，而氮化镓晶体管(HEMT)则可以承受最大650 V的电压；同时它们都能够传导从几安培到几十安培的电流。硅的击穿电压则仅为40 V至400 V。

高电子迁移率晶体管(HEMT)

氮化镓 HEMT在600 V至1,200 V的电压等级中性能最佳。随着击穿电压的增加，采用垂直器件结构变得更为可取，其中又以3.3 kV至10 kV的氮化镓 MOSFET性能为最佳。

碳化硅和氮化镓之间的核心差异在于它们的电子迁移率。电子迁移率是指电子通过半导体材料的速度。硅的电子迁移速度为 1,500 cm2/Vs，氮化镓的电子迁移率为2,000 cm2/Vs。这意味着，氮化镓电子的移动速度比硅快30%以上。

另一方面，碳化硅的电子迁移率为650 cm2/Vs。其电子移动速度比氮化镓和硅都要慢。氮化镓的电子迁移率比碳化硅要高三倍，更适合高频应用。

碳化硅和氮化镓的其他性能参数

热导率：

热导率是指材料通过自身传递热量的能力。由于使用环境的不同，热导率将直接影响材料本身的温度。热导率低的材料会在高功率应用中产生热量。因此，高功率电路会增加材料的温度，从而改变其电气特性。

氮化镓的热导率为1.3 W/cmK(瓦特/厘米开尔文)，还不及硅的1.5 W/cmK，而碳化硅的热导率为5 W/cmK，其在传递热负荷方面优于氮化镓和硅三倍。这种导热性能使碳化硅在高功率和高温应用中具备极大的优势。

制造工艺、尺寸和成本：

在应用这些材料时，还需要考虑其他的性能参数，如制造工艺、尺寸和成本。制造工艺会影响器件的可靠性和最终良率，并因此影响器件的最终价格。

半导体晶圆制造工艺：

目前，氮化镓和碳化硅材料本身还存在制造工艺上的限制因素，而硅的制造工艺更便宜、更精确，不过更耗能。举例来说，氮化镓在较小面积中会包含大量的晶体缺陷。相比之下，硅每平方厘米的缺陷可能少至100个。

然而，就在2000年之前，制造商还无法制造缺陷密度低于10亿个/cm的氮化镓衬底，这使氮化镓半导体的效率非常低下。现在，已经取得了长足的进步。不过在氮化镓半导体不断努力以满足严格缺陷标准的过程中，问题依然不少。

碳化硅和氮化镓潜力何在

与传统的硅相比，受限于目前的氮化镓和碳化硅制造技术，使得这两种高功率材料十分昂贵，从而限制了其成本效益。然而，这两种材料所具有的半导体应用优势依然令人印象深刻。

碳化硅在短期内可能是一种更有效且成本更低的产品。相比氮化镓，制造更大更均匀的碳化硅晶圆更容易。随着时间的推移，凭借更高的电子迁移率，氮化镓将在小型高频产品中寻得一席之地。而凭借优于氮化镓的更高功率能力和热导率，碳化硅将在更大尺寸的功率产品中受到青睐。

结论

传统的硅已无法满足更高电压电路的需求。与此同时，在高压领域，碳化硅和氮化镓作为毋庸置疑的半导体材料替代品，正在降低制造缺陷密度方面不断取得进展。这两种半导体均能承受更高的电压、更高的频率，并适用于更复杂的电子器件。所有这些都强烈表明，碳化硅和氮化镓器件在整个高压电子市场都极具用武之地。

本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志2022年2月刊

(参考原文：What makes SiC and GaN suitable for high-power designs，By BONNIE BAKER)