發布日期：2022-10-09 點擊率：186
全球有40%的能量作為電能被消耗了, 而電能轉換最大耗散是半導體功率器件。我國作為世界能源消費大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗成了一個關鍵的技術難題。伴隨著第三代半導體電力電子器件的誕生，以碳化硅和氮化鎵為代表的新型半導體材料走入了我們的視野。
早在1893年諾貝爾獎獲得者法國化學家亨利莫桑（Henri Moissan）在非洲發現了晶瑩剔透的碳化硅（SiC）單晶碎片。由于SiC是硬度僅次于金剛石的超硬材料，SiC單晶和多晶材料作為磨料和刀具材料廣泛應用于機械加工行業。作為半導體材料應用，相對于Si，SiC具有10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。
簡單來說，SiC半導體材料在三個方面被認為具有很大的市場潛力： SiC同質外延用于高電壓大功率電力電子器件；高阻SiC基體材料用于生長GaN HEMT射頻器件；在SiC基體材料上生長GaN LED高亮度LED外延。
從80年代開始以美國CREE公司為代表的國際企業就開始專注于半導體應用的SiC材料商用化的開發。2000年起英飛凌首先開發出600V SiC肖特基二極管（SBD）與其COOLMOS配套使用與通訊電源的PFC應用拉開了SiC電力電子器件市場化的幕布。隨后CREE，ST，羅姆等企業也紛紛推出了SBD的全系列產品。從2014年開始CREE，羅姆，GE開始在市場上推廣MOSFET器件。
氮化鎵（GaN）因為缺乏合適的單晶襯底材料，基本上是在藍寶石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技術生長出基本的器件結構，由于是異質外延，因此材料缺陷比較多，位錯密度比較大，在上世紀90年代以前發展緩慢。進入90年代以后，日本在LED應用技術上取得了巨大的進展，特別是在中國大陸在過去10多年LED市場的高速發展，帶動了GaN材料產業的產業化進程。
由于CREE在電力電子用碳化硅材料和器件的壟斷地位迫使很多功率企業采取GaN技術路線作為下一代功率半導體器件的發展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來GaN的單晶基體材料也有了突破進展，已經能夠生長出2英寸外延。美國曾經有一家企業AVOGY曾經試圖采用GaN同質外延生產PIN功率二極管和其他開關管，但是由于材料成本昂貴，并不成功。目前GaN單晶材料主要還是用于光電器件，比如激光器和太赫茲等領域。
SiC和GaN電力電子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的優點和不成熟處，因此在應用方面有區別 。一般的業界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應用；GaN器件更適合于40-1200V的高頻應用。在600V和1200V器件應用領域，SiC和GaN形成競爭。
如果說在電力電子器件方面，SiC和GaN存在著競爭，那么在射頻器件和射頻IC方面，SiC和GaN是完美的一對兒，基本材料結構是在高阻（高純度）的SiC基體上生長GaN外延。圖一這張表比較了SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數。
▲圖一、SiC, GaN和Si作為半導體材料應用的特征參數的比較
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