進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導(dǎo)體硅材料替代品的任務(wù)變得非常緊迫。在多位選手輪番登場后，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)——并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。
SiC早在1842年就被發(fā)現(xiàn)了，但直到1955年，才有生長高品質(zhì)碳化硅的方法出現(xiàn);到了1987年，商業(yè)化生產(chǎn)的SiC進(jìn)入市場;進(jìn)入21世紀(jì)后，SiC的商業(yè)應(yīng)用才算全面鋪開。相對于Si，SiC的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，用SiC制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場。42GHz頻率的SiC MESFET，用在了軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中，用SiC做為襯底的高亮度藍(lán)光LED則是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。
現(xiàn)在，SiC材料正在大舉進(jìn)入功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。一些知名的半導(dǎo)體器件廠商，如ROHM，英飛凌，Cree，飛兆等都在開發(fā)自己的SiC功率器件。英飛凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基勢壘二極管，其結(jié)合了第三代產(chǎn)品的低容性電荷(Qc)值與第二代產(chǎn)品的正向電壓(Vf)水平相結(jié)合，使PFC電路達(dá)到最高效率水平，擊穿電壓則達(dá)到了650V。飛兆半導(dǎo)體發(fā)布了SiC BJT，其實(shí)現(xiàn)了1200V的耐壓，傳到和開關(guān)損耗相對于傳統(tǒng)的Si器件降低了30～50%，從而能夠在相同尺寸的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高達(dá)40%的輸出功率提升。ROHM公司則推出了1200V的第二代SiC制MOSFET產(chǎn)品，其實(shí)現(xiàn)了SiC-SBD與SiC-MOSFET的一體化封裝，比Si-IGBT相比，工作損耗降低了70%，并可達(dá)到50kHz以上的開關(guān)頻率。值得一提的是，IGBT的驅(qū)動比較復(fù)雜，如果使用SiC基的MOSFET，則能使系統(tǒng)開發(fā)的難度大為降低。SiC的市場頗為被看好，根據(jù)預(yù)測，到2022年，其市場規(guī)模將達(dá)到40億美元，年平均復(fù)合增長率可達(dá)到45%。
說完了SiC，再來說說GaN。在上世紀(jì)90年代以前，因?yàn)槿狈线m的單晶襯底材料，而且位錯密度比較大，其發(fā)展緩慢，但進(jìn)入90年代以后，其發(fā)展迅速，年均增長率達(dá)30%，已經(jīng)成為大功率LED的關(guān)鍵性材料。同SiC一樣，GaN也開始進(jìn)軍功率器件市場。雖然，2012年的GaN市場上，IR和EPC公司是僅有的兩家器件供應(yīng)商，但是到明年，可能會有多家公司推出自己的產(chǎn)品。如果這些廠家在2014年擴(kuò)充產(chǎn)能，在2015年推出600V耐壓的GaN功率器件，整個市場的發(fā)展空間將得到極大地?cái)U(kuò)充。
GaN的起步較SiC為早，但是SiC的發(fā)展勢頭更快。在早期，兩者因應(yīng)用領(lǐng)域不同，直接競爭的機(jī)會并不大。但隨著功率半導(dǎo)體市場向兩者打開，短兵相接就不可避免了。工業(yè)、新能源領(lǐng)域已經(jīng)成為兩者的戰(zhàn)場，而在汽車領(lǐng)域，因?yàn)閮r(jià)格原因，廠商雖愿意采用傳統(tǒng)的Si器件。不過，隨著GaN和SiC的快速發(fā)展，成本越來越接近Si器件，大規(guī)模登陸這個市場的時間應(yīng)該不遠(yuǎn)了。
碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結(jié)可得到堅(jiān)硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無線電探測器之類的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導(dǎo)體。通過Lely法能生長出大塊的碳化硅單晶。
結(jié) 構(gòu) 和 特 性
碳化硅存在著約250種結(jié)晶形態(tài)。由于碳化硅擁有一系列相似晶體結(jié)構(gòu)的同質(zhì)多型體使得碳化硅具有同質(zhì)多晶的特點(diǎn)。這些多形體的晶體結(jié)構(gòu)可被視為將特定幾種二維結(jié)構(gòu)以不同順序?qū)訝疃逊e后得到的，因此這些多形體具有相同的化學(xué)組成和相同的二維結(jié)構(gòu)，但它們的三維結(jié)構(gòu)不同。在碳化硅中摻雜氮或磷可以形成n型半導(dǎo)體而摻雜鋁、硼、鎵或鈹形成p型半導(dǎo)體。在碳化硅中大量摻雜硼、鋁或氮可以使摻雜后的碳化硅具備數(shù)量級可與金屬比擬的導(dǎo)電率。摻雜Al的3C-SiC、摻雜B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的溫度下?lián)碛谐瑢?dǎo)性，但摻雜Al和B的碳化硅兩者的磁場行為有明顯區(qū)別。摻雜鋁的碳化硅和摻雜B的晶體硅一樣都是II型半導(dǎo)體,但摻雜硼的碳化硅則是I型半導(dǎo)體。
缺 點(diǎn)
單晶材料缺陷多，至今材料質(zhì)量還未真正解決；設(shè)計(jì)和工藝控制技術(shù)比較困難；工藝裝置特殊要求，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，例離子注入,外延設(shè)備，激光曝光光刻機(jī)等；資金投入很大，運(yùn)行費(fèi)用和開發(fā)費(fèi)用昂貴,一般很難開展研發(fā)工作。
氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙*的半導(dǎo)體，自1990年起常用在發(fā)光二極管中。此化合物結(jié)構(gòu)類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極管，可以在不使用非線性半導(dǎo)體泵浦固體激光器*的條件下，產(chǎn)生紫光（405nm）激光。
結(jié) 構(gòu) 和 特 性
GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs的一半。因?yàn)槠溆捕雀?，又是一種良好的涂層保護(hù)材料。GaN的電學(xué)特性是影響器件的主要因素。未有意摻雜的GaN在各種情況下都呈n型,最好的樣品的電子濃度約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的P型樣品，都是高補(bǔ)償?shù)摹?div style="height:15px;">
缺 點(diǎn)
一方面，在理論上由于其能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其中載流子的有效質(zhì)量較大，輸運(yùn)性質(zhì)較差，則低電場遷移率低，高頻性能差。另一方面，現(xiàn)在用異質(zhì)外延（以藍(lán)寶石和SiC作為襯底）技術(shù)生長出的GaN單晶，還不太令人滿意（這有礙于GaN器件的發(fā)展），如位錯密度達(dá)到了108~1010/cm2（雖然藍(lán)寶石和SiC與GaN的晶體結(jié)構(gòu)相似，但仍然有比較大的晶格失配和熱失配）；未摻雜GaN的室溫背景載流子（電子）濃度高達(dá)1017cm-3（可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)），并呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電。
硅、碳化硅、氮化鎵物理性質(zhì)比較
SiSiCGaN
帶隙（eV）1.123.23.39
相對介電常數(shù)11.7109
絕緣擊穿場強(qiáng)（MV/cm）0.333.3
電子飽和速度（107cm/s）122.5
電子遷移率（cm2/Vs）1350720900
熱導(dǎo)率（W/cm·K）1.54.52～3
兩者同為化合物半導(dǎo)體，有相似又有不同，那么具體到應(yīng)用層面會怎樣劃分呢？下圖解釋了從功率和頻率兩個參數(shù)來如何劃分兩者的應(yīng)用。
第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域
半導(dǎo)體照明
LED襯底類別包括藍(lán)寶石、碳化硅、硅以及氮化鎵。藍(lán)光LED在用襯底材料來劃分技術(shù)路線。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問題，減少了缺陷和位錯，更高的電光轉(zhuǎn)換效率從根本上帶來更多的出光和更少的散熱。氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越特性，是迄今理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。時至今日，氮化鎵襯底相對于藍(lán)寶石、碳化硅等襯底的性能優(yōu)勢顯而易見，最大難題在于價(jià)格過高。
功率器件
2015年，SiC功率半導(dǎo)體市場（包括二極管和晶體管）規(guī)模約為2億美元，到2021年，其市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過5.5億美元，這期間的復(fù)合年均增長率預(yù)計(jì)將達(dá)19％。毫無懸念，消耗大量二極管的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導(dǎo)體最主要的應(yīng)用。目前市場上主要GaN產(chǎn)品是應(yīng)用于高功率密度DC／DC電源的40－200伏增強(qiáng)性高電子遷移率異質(zhì)節(jié)晶體管（HEMT）和600伏HEMT混合串聯(lián)開關(guān)，國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關(guān)企業(yè)有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導(dǎo)體、三安光電、杭州士蘭微等公司。
微波器件
GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面。在未來，GaN微波器件有望用于4G～5G移動通訊基站等民用領(lǐng)域。市調(diào)公司Yole預(yù)測，2016～2020年GaN射頻器件市場將擴(kuò)大至目前的2倍，市場復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到4％；2020年末，市場規(guī)模將擴(kuò)大至目前的2.5倍。GaN在國防領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括IED干擾器、軍事通訊、雷達(dá)、電子對抗等。GaN將在越來越多的國防產(chǎn)品中得到應(yīng)用，充分體現(xiàn)其在提高功率、縮小體積和簡化設(shè)計(jì)方面的巨大優(yōu)勢。
激光器和探測器
在激光器和探測器應(yīng)用領(lǐng)域，GaN激光器已經(jīng)成功用于藍(lán)光DVD，藍(lán)光和綠色的激光將來巨大的市場空間在微型投影、激光3D投影等投影顯示領(lǐng)域，藍(lán)色激光器和綠光激光器產(chǎn)值約為2億美元，如果技術(shù)瓶頸得到突破，潛在產(chǎn)值將達(dá)到500億美元。2014年諾貝爾獎獲得者中村修二認(rèn)為下一代照明技術(shù)應(yīng)該是基于GaN激光器的“激光照明”，有望將照明和顯示融合發(fā)展。目前，只有國外的日本日亞公司（Nichia）、和德國的歐司朗（Osram）等公司能夠提供商品化的GaN基激光器。由于氮化鎵優(yōu)異的光電特性和耐輻射性能，還可以用作高能射線探測器。GaN基紫外探測器可用于導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星秘密通信、各種環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)生物探測等領(lǐng)域，例如核輻射探測器，X射線成像儀等，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
半導(dǎo)體材料發(fā)展趨勢
寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類新型材料，具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。隨著寬禁帶技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮⒌诙雽?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。SiC和GaN被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”(WBG)，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶擴(kuò)散到導(dǎo)帶需要能量: 其中硅(Silicon)所需能量為1.1eV，氮化硅(SiC)則需3.3eV，氮化鎵(GaN)則需3.4eV. 這就帶來了更高的擊穿電壓，在某些應(yīng)用中可高到1200-1700V。通過合適的生產(chǎn)工藝，WBG展現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：
01極低的內(nèi)部電阻
與同類硅器件相比，效率可提高70%
02 更高的功率密度
低電阻可改善熱性能(最高工作溫度增加了)和散熱，并可獲得更高的功率密度
03 減積減重
散熱得到優(yōu)化，與同類硅器件相比，就可以采用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少
04 極短的關(guān)斷時間
極短的關(guān)斷時間(GaN器件接近于零)能夠工作于非常高的開關(guān)頻率，而且工作溫度也更低
傳統(tǒng)的電力電子設(shè)備使用的各類器件都可以用WBG器件代替。而傳統(tǒng)的硅器件在許多應(yīng)用領(lǐng)域都達(dá)到了極限。顯然，WBG技術(shù)是未來電力電子的根基，將為各種領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
PART 01
SiC和GaN的區(qū)別
不同的應(yīng)用所需的功率和頻率性能不同，無論硅器件還是新型WBG器件，每種類型的器件都有其用武之地。
盡管在概念層面上有相似之處，但SiC和GaN器件彼此不可互換，二者因系統(tǒng)的工作要求和使用參數(shù)不同而有很大差別。
尤其需要指出，SiC器件能承受更高的電壓，高達(dá)1200伏及以上，而GaN器件則能承受的電壓和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的關(guān)斷時間幾乎為零(由于具有高電子遷移率，其dV/dt電壓大于100V/s，而MOSFET硅器件僅50V/s)，特別適用于非常高頻的應(yīng)用，可達(dá)到極高的能效和性能。但這些理想的特性也會給應(yīng)用帶來麻煩：如果器件的寄生電容不接近于零，就會產(chǎn)生數(shù)十安培的電流尖峰，而在電磁兼容測試階段出現(xiàn)問題。
由于可以采用TO-247和 TO-220封裝，SiC能夠在封裝方面發(fā)揮更多優(yōu)勢，因?yàn)檫@兩種封裝可以讓新的SiC器件快速替換IGBT和MOSFET器件。而采用SMD封裝(更輕、更小但還比較新)的GaN則能提供更優(yōu)性能。
另一方面，這兩種器件面臨的共同挑戰(zhàn)都與柵極驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造有關(guān)。柵極驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)能夠充分利用特定的分量特征，同時又要關(guān)注寄生分量(必須最小化以避免性能降低)和適當(dāng)?shù)碾妷核?希望類似于驅(qū)動傳統(tǒng)硅器件的電壓水平)。
就成本而言，SiC器件現(xiàn)在更便宜，也更普及，因?yàn)樗鼈兪窃贕aN之前出現(xiàn)的。然而，不難想象，成本一方面與生產(chǎn)工藝有關(guān)，同時也跟市場需求有關(guān)，因此市場價(jià)格會趨于平穩(wěn)。
由于GaN襯底的生產(chǎn)成本較高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅為襯底。最近，瑞典林克平大學(xué)(University of Linkóping)與其剝離公司SweGaN合作進(jìn)行了一些研究，按照SiC襯底和新的晶圓生長工藝(稱為跨晶異質(zhì)外延，可防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷)的想法，獲得了可與SiC器件相媲美的最大電壓，但工作頻率可以達(dá)到硅基GaN的水平。這項(xiàng)研究還表明，采用這一機(jī)制能夠改善熱管理、獲得3kV以上的垂直擊穿電壓，以及比目前解決方案小一個數(shù)量級的通態(tài)阻抗等性能。PART 02
應(yīng)用和市場
WBG器件的應(yīng)用領(lǐng)域仍然是一個小眾市場，研發(fā)人員仍然需要更好地了解如何最大限度地發(fā)揮其潛力。其最大的新技術(shù)市場是二極管市場，但WBG預(yù)計(jì)將在未來5年內(nèi)充斥晶體管市場。
潛在應(yīng)用已在醞釀之中。據(jù)預(yù)測，電動車、電信網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子市場是最合適的目標(biāo)市場。
根據(jù)銷售預(yù)測，最有利可圖的市場將是涉及電動車和自動駕駛汽車的市場，其中WBG器件將用于逆變器、車載充電設(shè)備(OBC)和防撞系統(tǒng)(LiDAR)。鑒于這類器件的熱特性和能率，可以很好地滿足蓄能器性能優(yōu)化的要求，人們自然會作出這種預(yù)測。
在電信方面，5G將成為WBG的驅(qū)動力。待安裝的數(shù)百萬個基站將需要更高的能效，并且尺寸將變得更小巧輕便，以顯著提高性能并降低成本。
消費(fèi)電子市場也將大量采用這類新型器件。移動設(shè)備的日益普及和快速充電需求將驅(qū)動無線供電和充電設(shè)備對新型器件的需求。PART 03
未來值得期待
或許人們還需要等待一段時間才能感受到WBG器件的驚人潛力，但其應(yīng)用場景正在演變，制造商亦開始提供可靠的解決方案?？梢源_信的是：WBG器件作為一種新型工具解決了功率器件設(shè)計(jì)師在這個以“效率”為口號的時代所面臨的問題，這將直接給市場帶來巨大沖擊。
