国内目前很少有原理性的SiC和GaN对比的科普文章,因此本文对相关信息进行了搜集和总结,希望有所帮助。作者在半导体材料和器件方面并不专业,如果内容有错误和缺漏还请指出。

宽禁带半导体(WBG) SiC/GaN器件是目前应用较多的功率半导体器件。相比传统的Si器件,WBG器件有着耐压高、导通电阻小、开关损耗低、温度特性好、散热性能好等优点,是理想的功率半导体器件,正在快速取代Si器件,应用在车载电源、充电器、光伏等功率密度和效率要求很高的场合。

氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET应用领域及销售额预测 —— 英飞凌

GaN晶体管和碳化硅MOSFET在工程应用中的选择,在

https://zhuanlan.zhihu.com/p/137395864zhuanlan.zhihu.com图标

中有了很好的解答。

但是,目前市场上SiC和GaN器件的应用场合重合度并不高。SiC主要应用于高压大功率场合,GaN主要应用于高频中小功率场合。

Si/SiC/GaN器件应用范围对比 —— 英飞凌

比较典型的应用是

全球首款120W氮化镓+碳化硅PD快充充电器拆解mp.weixin.qq.com联合电子首款车载充配电单元(CHARCON)mp.weixin.qq.com

但是从材料物理极限(最大场强Ec、电子迁移率μ等)的角度来考虑,理论上GaN材料的耐压是SiC材料的3倍以上

Si/SIC/GaN材料特性对比
不同半导体材料在导通电阻相同时,耐压等级对比

那么这里就需要解答两个问题:

  1. 为什么GaN器件最高耐压比SiC器件低得多 (600V vs 10+kV)?

  2. 为什么GaN器件普遍开关频率比SiC器件高?

原因主要在于两个方面:

  1. 制造工艺和器件结构

  2. 材料特性

制造工艺和器件结构

功率半导体一般要求在衬底(Substrate)上生长/沉积一层外延层(epitaxial layer),形成漂移区(drift)阻断高压。外延层可以与衬底材料相同,也可以相异。比如目前SiC MOSFET的衬底与外延层就是相同材料的:[1]

SiC MOSFET(垂直结构)的衬底与外延层材料一致

相同材料的优点是是,衬底与外延层的晶格一致,不会由于晶格失配而导致接触面损坏,以致损坏器件。但难点在于,从衬底上生长/沉积出外延层这种工艺上难度较大,良率低。

目前,GaN外沿层的生长工艺远不及SiC成熟,良率很低,实际应用上还有很多困难。因此目前绝大多数商用GaN器件,衬底与外延层的材料都是不一致的,衬底常用材料的有Si和SiC。

衬底与外延层的材料不一致,会导致晶格失配。为了不损坏器件,必须要在衬底和外延层之间加一层缓冲层(Buffer)。常用的缓冲层的材料之一是AlN:

GaN HEMT的缓冲层

但缓冲层的AlN是绝缘的,意味着GaN器件的衬底和外延层之间是绝缘的,这也就决定了这种GaN器件的源极(Drain)无法像SiC MOSFET那样与衬底连接在一起,无法采用SiC MOSFET那样的垂直结构,只能用横向结构

GaN 器件的典型结构

之前提到过,外延层漂移区的目的是承受反向高压。SiC器件的垂直结构可以使Vds垂直的加在漂移区,耐压由漂移区的掺杂和厚度决定。而GaN器件的横向结构中,电压横向加在GaN漂移区,电场会横跨器件表面,如果需要更大的耐压就需要更大晶圆的面积和器件体积,这也就决定了这种GaN器件的耐压无法做的很大。目前市面上的较多GaN器件是HEMT(High Electron Mobility Transistor),耐压一般不超过600V.

材料特性

GaN器件无法应用在高压大功率领域的另一个主要原因是热传导率低(Thermal Conductivity),这就意味着大功率高损耗场合下GaN器件很难散热[2]

热传导率对比

GaN器件目前的最大优点是开关速度快,损耗小。开关速度主要由尺寸(击穿场强Ec决定)、介电常数εr和电子漂移饱和速度Vsat决定。尺寸越小、介电常数εr越小,结电容C就越小,充放电速度越快,开关速度也越快。电子漂移饱和速度Vsat越大,耗尽层电荷去除越快,反向恢复越小,损耗越少,EMI越小。

介电常数/电子漂移饱和速度对比

可以看到同等耐压下,GaN器件尺寸和介电常数εr小于SiC,电子漂移饱和速度Vsat大与SiC,因此理论上GaN可以工作在比SiC更高的开关频率

综上所示:

相比SiC器件,GaN器件的

  • 外延层制造工艺不成熟,导致HEMT的横向结构

  • 材料导热性能差

  • 介电常数小

  • 电子饱和漂移速度高

造成了目前GaN高压大功率场景下应用较少,低压高频应用场景较多的状况。

随着未来GaN制造工艺的逐渐成熟,GaN器件可能会逐渐向高电压发展,不过距离商业应用还有很长的距离。

参考

  1. ^Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC) In The High Frequency (RF) and Power Switching Applications —— Microsemi PPG

  2. ^New semiconductor technologies for power electronics —— Alisson Mengatto

转自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/166528335

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