一文带你认识第三代半导体材料双雄碳化硅VS氮化镓.docx
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一文带你认识第三代半导体材料双雄碳化硅VS氮化镓
一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓
进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。
在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）——并称为第三代半导体材料的双雄。
SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年，商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。
相对于Si，SiC的优点很多：
有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。
因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。
微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。
42GHz频率的SiCMESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。
现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。
一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。
英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷（Qc）值与第二代产品的正向电压（Vf）水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。
飞兆半导体发布了SiCBJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。
ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，比Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz以上的开关频率。
值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。
SiC的市场颇为被看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。
说完了SiC，再来说说GaN。
在上世纪90年代以前，因为缺乏合适的单晶衬底材料，而且位错密度比较大，其发展缓慢，但进入90年代以后，其发展迅速，年均增长率达30%，已经成为大功率LED的关键性材料。
同SiC一样，GaN也开始进军功率器件市场。
虽然，2012年的GaN市场上，IR和EPC公司是仅有的两家器件供应商，但是到明年，可能会有多家公司推出自己的产品。
如果这些厂家在2014年扩充产能，在2015年推出600V耐压的GaN功率器件，整个市场的发展空间将得到极大地扩充。
GaN的起步较SiC为早，但是SiC的发展势头更快。
在早期，两者因应用领域不同，直接竞争的机会并不大。
但随着功率半导体市场向两者打开，短兵相接就不可避免了。
工业、新能源领域已经成为两者的战场，而在汽车领域，因为价格原因，厂商虽愿意采用传统的Si器件。
不过，随着GaN和SiC的快速发展，成本越来越接近Si器件，大规模登陆这个市场的时间应该不远了。
碳化硅（SiC）俗称金刚砂，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。
自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。
将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒，并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中，在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。
如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。
通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。
结构和特性
碳化硅存在着约250种结晶形态。
由于碳化硅拥有一系列相似晶体结构的同质多型体使得碳化硅具有同质多晶的特点。
这些多形体的晶体结构可被视为将特定几种二维结构以不同顺序层状堆积后得到的，因此这些多形体具有相同的化学组成和相同的二维结构，但它们的三维结构不同。
在碳化硅中掺杂氮或磷可以形成n型半导体而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。
在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。
掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性，但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。
掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。
缺 点
单晶材料缺陷多，至今材料质量还未真正解决；设计和工艺控制技术比较困难；工艺装置特殊要求，技术标准高，例离子注入,外延设备，激光曝光光刻机等；资金投入很大，运行费用和开发费用昂贵,一般很难开展研发工作。
氮化镓（GaN、Galliumnitride）是氮和镓的化合物，是一种直接能隙*的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。
此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。
氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器*的条件下，产生紫光（405nm）激光。
结构和特性
GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。
在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。
它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。
GaN的电学特性是影响器件的主要因素。
未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。
一般情况下所制备的P型样品，都是高补偿的。
缺 点
一方面，在理论上由于其能带结构的关系，其中载流子的有效质量较大，输运性质较差，则低电场迁移率低，高频性能差。
另一方面，现在用异质外延（以蓝宝石和SiC作为衬底）技术生长出的GaN单晶，还不太令人满意（这有碍于GaN器件的发展），如位错密度达到了108~1010/cm2（虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似，但仍然有比较大的晶格失配和热失配）；未掺杂GaN的室温背景载流子（电子）浓度高达1017cm-3（可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关），并呈现出n型导电。
硅、碳化硅、氮化镓物理性质比较
Si
SiC
GaN
带隙（eV）
1.12
3.2
3.39
相对介电常数
11.7
10
9
绝缘击穿场强（MV/cm）
0.3
3
3.3
电子饱和速度（107cm/s）
1
2
2.5
电子迁移率（cm2/Vs）
1350
720
900
热导率（W/cm·K）
1.5
4.5
2～3
两者同为化合物半导体，有相似又有不同，那么具体到应用层面会怎样划分呢？
下图解释了从功率和频率两个参数来如何划分两者的应用。
第三代宽禁带半导体材料应用领域
半导体照明
LED衬底类别包括蓝宝石、碳化硅、硅以及氮化镓。
蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。
SiC衬底有效地解决了衬底材料与GaN的晶格匹配度问题，减少了缺陷和位错，更高的电光转换效率从根本上带来更多的出光和更少的散热。
氮化镓具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越特性，是迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。
时至今日，氮化镓衬底相对于蓝宝石、碳化硅等衬底的性能优势显而易见，最大难题在于价格过高。
功率器件
2015年，SiC功率半导体市场（包括二极管和晶体管）规模约为2亿美元，到2021年，其市场规模预计将超过5.5亿美元，这期间的复合年均增长率预计将达19％。
毫无悬念，消耗大量二极管的功率因素校正（PFC）电源市场，仍将是SiC功率半导体最主要的应用。
目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC／DC电源的40－200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管（HEMT）和600伏HEMT混合串联开关，国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaNSystems等公司。
中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯，材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。
微波器件
GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。
在未来，GaN微波器件有望用于4G～5G移动通讯基站等民用领域。
市调公司Yole预测，2016～2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4％；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。
GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。
GaN将在越来越多的国防产品中得到应用，充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。
激光器和探测器
在激光器和探测器应用领域，GaN激光器已经成功用于蓝光DVD，蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域，蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元，如果技术瓶颈得到突破，潜在产值将达到500亿美元。
2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”，有望将照明和显示融合发展。
目前，只有国外的日本日亚公司（Nichia）、和德国的欧司朗（Osram）等公司能够提供商品化的GaN基激光器。
由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能，还可以用作高能射线探测器。
GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域，例如核辐射探测器，X射线成像仪等，但尚未实现产业化。
半导体材料发展趋势
宽禁带半导体材料作为一类新型材料，具有独特的电、光、声等特性，其制备的器件具有优异的性能，在众多方面具有广阔的应用前景。
它能够提高功率器件工作温度极限，使其在更恶劣的环境下工作；能够提高器件的功率和效率，提高装备性能；能够拓宽发光光谱，实现全彩显示。
随着宽禁带技术的进步，材料工艺与器件工艺的逐步成熟，其重要性将逐渐显现，在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料，成为电子信息产业的主宰。
SiC和GaN被称为“宽带隙半导体”（WBG），因为将这些材料的电子从价带扩散到导带需要能量:
其中硅（Silicon）所需能量为1.1eV，氮化硅（SiC）则需3.3eV，氮化镓（GaN）则需3.4eV.这就带来了更高的击穿电压，在某些应用中可高到1200-1700V。
通过合适的生产工艺，WBG展现出以下优点：
01极低的内部电阻
与同类硅器件相比，效率可提高70%
02 更高的功率密度
低电阻可改善热性能（最高工作温度增加了）和散热，并可获得更高的功率密度
03 减积减重
散热得到优化，与同类硅器件相比，就可以采用更简单的封装、尺寸和重量也大大减少
04 极短的关断时间
极短的关断时间（GaN器件接近于零）能够工作于非常高的开关频率，而且工作温度也更低
传统的电力电子设备使用的各类器件都可以用WBG器件代替。
而传统的硅器件在许多应用领域都达到了极限。
显然，WBG技术是未来电力电子的根基，将为各种领域的创新应用奠定基础。
PART01
SiC和GaN的区别
不同的应用所需的功率和频率性能不同，无论硅器件还是新型WBG器件，每种类型的器件都有其用武之地。
尽管在概念层面上有相似之处，但SiC和GaN器件彼此不可互换，二者因系统的工作要求和使用参数不同而有很大差别。
尤其需要指出，SiC器件能承受更高的电压，高达1200伏及以上，而GaN器件则能承受的电压和功率密度要低一些;另一方面，由于GaN器件的关断时间几乎为零（由于具有高电子迁移率，其dV/dt电压大于100V/s，而MOSFET硅器件仅50V/s），特别适用于非常高频的应用，可达到极高的能效和性能。
但这些理想的特性也会给应用带来麻烦：
如果器件的寄生电容不接近于零，就会产生数十安培的电流尖峰，而在电磁兼容测试阶段出现问题。
由于可以采用TO-247和TO-220封装，SiC能够在封装方面发挥更多优势，因为这两种封装可以让新的SiC器件快速替换IGBT和MOSFET器件。
而采用SMD封装（更轻、更小但还比较新）的GaN则能提供更优性能。
另一方面，这两种器件面临的共同挑战都与栅极驱动器的设计与构造有关。
栅极驱动器应当能够充分利用特定的分量特征，同时又要关注寄生分量（必须最小化以避免性能降低）和适当的电压水平（希望类似于驱动传统硅器件的电压水平）。
就成本而言，SiC器件现在更便宜，也更普及，因为它们是在GaN之前出现的。
然而，不难想象，成本一方面与生产工艺有关，同时也跟市场需求有关，因此市场价格会趋于平稳。
由于GaN衬底的生产成本较高，因此采用GaN“通道”的器件都以硅为衬底。
最近，瑞典林克平大学（UniversityofLinkóping）与其剥离公司SweGaN合作进行了一些研究，按照SiC衬底和新的晶圆生长工艺（称为跨晶异质外延，可防止出现结构缺陷）的想法，获得了可与SiC器件相媲美的最大电压，但工作频率可以达到硅基GaN的水平。
这项研究还表明，采用这一机制能够改善热管理、获得3kV以上的垂直击穿电压，以及比目前解决方案小一个数量级的通态阻抗等性能。
PART02
应用和市场
WBG器件的应用领域仍然是一个小众市场，研发人员仍然需要更好地了解如何最大限度地发挥其潜力。
其最大的新技术市场是二极管市场，但WBG预计将在未来5年内充斥晶体管市场。
潜在应用已在酝酿之中。
据预测，电动车、电信网络和消费电子市场是最合适的目标市场。
根据销售预测，最有利可图的市场将是涉及电动车和自动驾驶汽车的市场，其中WBG器件将用于逆变器、车载充电设备（OBC）和防撞系统（LiDAR）。
鉴于这类器件的热特性和能率，可以很好地满足蓄能器性能优化的要求，人们自然会作出这种预测。
在电信方面，5G将成为WBG的驱动力。
待安装的数百万个基站将需要更高的能效，并且尺寸将变得更小巧轻便，以显著提高性能并降低成本。
消费电子市场也将大量采用这类新型器件。
移动设备的日益普及和快速充电需求将驱动无线供电和充电设备对新型器件的需求。
PART03
未来值得期待
或许人们还需要等待一段时间才能感受到WBG器件的惊人潜力，但其应用场景正在演变，制造商亦开始提供可靠的解决方案。
可以确信的是：
WBG器件作为一种新型工具解决了功率器件设计师在这个以“效率”为口号的时代所面临的问题，这将直接给市场带来巨大冲击。
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