矽、碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）這三種半導體都正在得到或已得到廣泛的應用。然而，它們之間卻大不相同，各具特色。這三種器件材料的特性各不相同。要揭示其差異，最好透過三個方面來進行說明，即電氣效能規格、物理尺寸和成本。瞭解這些差異將有助於我們更有效地應用這些半導體材料。
傳統的矽（Si）半導體在許多低功率和低電壓應用中大顯身手，然而在高功率和高電壓的電力系統中，矽、碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）這三種半導體都正在得到或已得到廣泛的應用。然而，它們之間卻大不相同，各具特色。
幾乎是所有的設計人員都應該對矽工藝最為熟悉，從我接觸這個行業開始，它就一直是首選的工藝技術。那麼，半導體矽的歷史到底有多久遠？早在1824年，瑞典化學家J ns Jacob Berzelius就將二氧化矽容器中的鉀片加熱，然後小心地衝洗掉殘留的副產物，最後得到了矽。
而第一種商用碳化矽（碳化矽）半導體材料專利則於1906年由Henry Harrison Chase Dunwoody獲得；這種碳化矽材料被用於一種合成碳化矽，即晶體無線電“金剛砂”檢波二極體。
接下來，加州大學聖塔巴巴拉分校（UCSB）工程學院的Steven DenBaars、James Speck和Umesh Mishra 教授於1993年公佈了他們在將氮化鎵作為半導體介質上所做的努力。
當前適用於高壓應用的三種基礎半導體材料
Source：Bonnie Baker
這三種器件材料的特性各不相同。要揭示其差異，最好透過三個方面來進行說明，即電氣效能規格、物理尺寸和成本。瞭解這些差異將有助於我們更有效地應用這些半導體材料。
Si、碳化矽和氮化鎵之間的電氣效能差異
寬頻隙（WBG）半導體的電氣規格包括頻率範圍、擊穿場強、高電子遷移率電晶體（HEMT）和熱導率。
功率與頻率的關係圖
Source：德州儀器
寬頻隙半導體
氮化鎵和碳化矽具有相似的帶隙寬度和擊穿場。氮化鎵的帶隙寬度為3。2 eV，而碳化矽的帶隙寬度為3。4 eV。雖然帶隙值幾乎相同，但碳化矽具有大約1，700 V的最大擊穿電壓，遠高於氮化鎵的650 V。
與此同時，矽的帶隙寬度為1。1 eV，低於氮化鎵和碳化矽幾乎三倍。因此，儘管氮化鎵和碳化矽的寬頻隙可以輕鬆支援更高電壓的電路，但它們無法像矽一樣支援較低電壓的電路。
當雪崩式倍增過程引發大量電流在源極和漏極之間流動時，擊穿電壓BVDSS粉墨登場。此時，反向偏置的體漂移二極體將被擊穿，而柵極和源極之間將被短路。
擊穿場強
碳化矽和氮化鎵的擊穿場接近，其中碳化矽的擊穿場為3。5 MV/cm，氮化鎵的擊穿場為3。3 MV/cm。而矽器件的擊穿場僅為0。3 MV/cm，這意味著氮化鎵和碳化矽耐受更高電壓的能力是矽的10倍以上。因此，與矽相比，高擊穿場使氮化鎵和碳化矽能夠輕鬆應對更高的電壓。
商用碳化矽電晶體（JFET、MOSFET）可以阻斷高達1，700 V的電壓，而氮化鎵電晶體（HEMT）則可以承受最大650 V的電壓；同時它們都能夠傳導從幾安培到幾十安培的電流。矽的擊穿電壓則僅為40 V至400 V。
高電子遷移率電晶體(HEMT)
氮化鎵 HEMT在600 V至1，200 V的電壓等級中效能最佳。隨著擊穿電壓的增加，採用垂直器件結構變得更為可取，其中又以3。3 kV至10 kV的氮化鎵 MOSFET效能為最佳。
碳化矽和氮化鎵之間的核心差異在於它們的電子遷移率。電子遷移率是指電子透過半導體材料的速度。矽的電子遷移速度為 1，500 cm2/Vs，氮化鎵的電子遷移率為2，000 cm2/Vs。這意味著，氮化鎵電子的移動速度比矽快30%以上。
另一方面，碳化矽的電子遷移率為650 cm2/Vs。其電子移動速度比氮化鎵和矽都要慢。氮化鎵的電子遷移率比碳化矽要高三倍，更適合高頻應用。
碳化矽和氮化鎵的其他效能引數
熱導率：
熱導率是指材料透過自身傳遞熱量的能力。由於使用環境的不同，熱導率將直接影響材料本身的溫度。熱導率低的材料會在高功率應用中產生熱量。因此，高功率電路會增加材料的溫度，從而改變其電氣特性。
氮化鎵的熱導率為1。3 W/cmK（瓦特/釐米開爾文），還不及矽的1。5 W/cmK，而碳化矽的熱導率為5 W/cmK，其在傳遞熱負荷方面優於氮化鎵和矽三倍。這種導熱效能使碳化矽在高功率和高溫應用中具備極大的優勢。
製造工藝、尺寸和成本：
在應用這些材料時，還需要考慮其他的效能引數，如製造工藝、尺寸和成本。製造工藝會影響器件的可靠性和最終良率，並因此影響器件的最終價格。
半導體晶圓製造工藝：
目前，氮化鎵和碳化矽材料本身還存在製造工藝上的限制因素，而矽的製造工藝更便宜、更精確，不過更耗能。舉例來說，氮化鎵在較小面積中會包含大量的晶體缺陷。相比之下，矽每平方釐米的缺陷可能少至100個。
然而，就在2000年之前，製造商還無法制造缺陷密度低於10億個/cm的氮化鎵襯底，這使氮化鎵半導體的效率非常低下。現在，已經取得了長足的進步。不過在氮化鎵半導體不斷努力以滿足嚴格缺陷標準的過程中，問題依然不少。
碳化矽和氮化鎵潛力何在
與傳統的矽相比，受限於目前的氮化鎵和碳化矽製造技術，使得這兩種高功率材料十分昂貴，從而限制了其成本效益。然而，這兩種材料所具有的半導體應用優勢依然令人印象深刻。
碳化矽在短期內可能是一種更有效且成本更低的產品。相比氮化鎵，製造更大更均勻的碳化矽晶圓更容易。隨著時間的推移，憑藉更高的電子遷移率，氮化鎵將在小型高頻產品中尋得一席之地。而憑藉優於氮化鎵的更高功率能力和熱導率，碳化矽將在更大尺寸的功率產品中受到青睞。
結論
傳統的矽已無法滿足更高電壓電路的需求。與此同時，在高壓領域，碳化矽和氮化鎵作為毋庸置疑的半導體材料替代品，正在降低製造缺陷密度方面不斷取得進展。這兩種半導體均能承受更高的電壓、更高的頻率，並適用於更復雜的電子器件。所有這些都強烈表明，碳化矽和氮化鎵器件在整個高壓電子市場都極具用武之地。（文：電子工程專輯編譯，原作者：BONNIE BAKER）
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