寬禁帶半導(dǎo)體材料「雙子星」——氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）

發(fā)布時(shí)間：2022-10-14作者來(lái)源：薩科微瀏覽：3370

對(duì)于 GaN，中文名氮化鎵，我們實(shí)在是聽(tīng)得太多了。

這要從近兩年充電器上的瘋狂內(nèi)卷開始說(shuō)起。好像從某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，一夜之間，GaN 就如雨后春筍般出現(xiàn)在了充電行業(yè)。然后隨之而來(lái)的，就是我們憧憬已久的幻想開始實(shí)現(xiàn)：快速充電，更快速充電。

到 2022 年的今天，功率甚至已經(jīng)在突破 200 這個(gè)數(shù)字上初現(xiàn)端倪。這是第三代半導(dǎo)體材料的勝利，也是移動(dòng)端充電行業(yè)的狂歡。但對(duì)于 GaN，很多人只是有個(gè)模糊的概念，對(duì)于它實(shí)現(xiàn)「小體積大功率」背后的原理、以及為何能改變多行業(yè)格局其實(shí)并不清楚。今天就讓我們帶著這些問(wèn)題去一探究竟。

什么是 GaN 氮化鎵？

——從分子結(jié)構(gòu)看，科學(xué)解釋：

GaN：由鎵（原子序數(shù) 31) 和氮（原子序數(shù) 7) 結(jié)合而來(lái)的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。

禁帶：是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說(shuō) GaN 擁有寬禁帶特性（WBG）。禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場(chǎng)。GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細(xì)窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結(jié)構(gòu)，而載流子濃度直接決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。

為什么 GaN 這么受歡迎？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們就要先回答：

GaN 有何優(yōu)勢(shì)？

由于 GaN 具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢(shì)，GaN 充電器的運(yùn)行速度，比傳統(tǒng)硅器件要快 100 倍。GaN 在電力電子領(lǐng)域主要優(yōu)勢(shì)在于高效率、低損耗與高頻率，GaN 材料的這一特性令其在充電器行業(yè)大放異彩。

更重要的是，GaN 相比傳統(tǒng)的硅，可以在更小的器件空間內(nèi)處理更大的電場(chǎng)，同時(shí)提供更快的開關(guān)速度。此外，氮化鎵比硅基半導(dǎo)體器件，可以在更高的溫度下工作。

說(shuō)人話就是：基于 GaN 功率芯片的充電器充電速度比傳統(tǒng)硅充電器快高三倍，但尺寸和重量，甚至只有后者的一半。同時(shí)還有耐高溫、低損耗等特點(diǎn)。

這就是為什么我們現(xiàn)在看到的充電器能夠輕松達(dá)到 65W、100W，但同時(shí)它們的體積卻并不大的原因，至少這在以往是難以想象的。

GaN 的優(yōu)勢(shì)能夠帶來(lái)什么？

我們把這種材料技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)分成兩個(gè)層面解讀：產(chǎn)品與行業(yè)。

對(duì)產(chǎn)品：在電力電子領(lǐng)域，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率。除此之外可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

對(duì)行業(yè)：相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在低壓市場(chǎng)，GaN 的應(yīng)用潛力甚至可以占據(jù)到整個(gè)功率市場(chǎng)約 68% 的比重。

另一點(diǎn)可能是你比較意外的，那就是 GaN 技術(shù)還可以有效降低碳排放。其碳足跡比傳統(tǒng)的硅基器件要低 10 倍。據(jù)估計(jì)，如果全球采用硅芯片器件的數(shù)據(jù)中心，都升級(jí)為使用 GaN功率芯片器件，那全球的數(shù)據(jù)中心將減少 30-40% 的能源浪費(fèi)。這相當(dāng)于節(jié)省了 100 兆瓦時(shí)太陽(yáng)能和 1.25 億噸二氧化碳排放量。因此 GaN 的吸引力不僅僅在于性能和系統(tǒng)層面的能源利用率的提高。

為什么比 Si 好？

半導(dǎo)體發(fā)展史：硅作為[敏感詞]代「半導(dǎo)體材料」的典型代表，其技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展到如今已經(jīng)是爐火純青，甚至于，目前全球 95% 以上的半導(dǎo)體芯片和器件都是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來(lái)。

但我們需要知道，任何材料其性能和效率都存在一個(gè)理論極限，隨著硅材料技術(shù)的日臻佳境的發(fā)展，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的諸多限制也開始體現(xiàn)出來(lái)。

也就是說(shuō)，硅的性能已經(jīng)開始跟不上各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求了。根本原因就在于硅本身的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低。當(dāng)材料技術(shù)的發(fā)展遭遇瓶頸，那么我們必將尋求新的代替者，獲得更加優(yōu)秀的解決方案。在這條關(guān)于更高性能的探索路上就開始了。

[敏感詞]代：元素半導(dǎo)體

典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣，一般用硅基半導(dǎo)體來(lái)代替元素半導(dǎo)體的名稱。以硅材料為代表的[敏感詞]代半導(dǎo)體材料，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè) IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。

第二代：化合物半導(dǎo)體

20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵( GaAs )、磷化銦( InP )為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、光通信、GPS 導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價(jià)格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，這些缺點(diǎn)使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有很大的局限性。

第三代：寬禁帶半導(dǎo)體

第三代半導(dǎo)體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì)，翻譯下來(lái)就是：高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)。憑借極優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，第三代半導(dǎo)體材料正在成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

* GaN

* SiC

寬禁帶材料「雙子星」——不得不說(shuō)的 SiC

目前來(lái)看，SiC 和 GaN 的技術(shù)研究進(jìn)展較快，并且已經(jīng)開始有了廣泛應(yīng)用。SiC 與 GaN 相比較，前者相對(duì) GaN 發(fā)展更早一些，技術(shù)成熟度也更高一些。SiC 禁帶寬度為 3.23ev，GaN 禁帶寬度為 3.4ev。

SiC 器件相對(duì)于 Si 器件的優(yōu)勢(shì)主要來(lái)自三個(gè)方面：

降低電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗
更容易實(shí)現(xiàn)小型化
更耐高溫高壓

據(jù)了解，SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%，發(fā)熱量只有 Si 器件的 50%，且有更高的電流密度。在相同功率等級(jí)下，SiC 功率模塊的體積顯著小于 Si 功率模塊。

聽(tīng)上去是不是和 GaN 很像？沒(méi)錯(cuò)，這是兩者材料特性決定的，在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表現(xiàn)。

* Si、GaN、SiC 應(yīng)用區(qū)間對(duì)比

為什么我們的充電器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢？

兩者有一個(gè)很大的區(qū)別是熱導(dǎo)率。這使得在高功率高溫等極限場(chǎng)景應(yīng)用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位；而 GaN 具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關(guān)速度，在高頻率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 具備優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，SiC 如果用在我們?nèi)粘５氖謾C(jī)充電器上，其實(shí)有點(diǎn)大材小用，這其中也牽扯到成本的問(wèn)題，綜合下來(lái)其實(shí) GaN 更為合適。

SiC 的主要應(yīng)用場(chǎng)景

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定，這使得它可以被用在非常[敏感詞]的環(huán)境條件下。針對(duì)于 SiC，微波及高頻和短波長(zhǎng)器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。在電力電子領(lǐng)域，SiC 應(yīng)用市場(chǎng)[敏感詞]的驅(qū)動(dòng)力，可能來(lái)自于新能源汽車。事實(shí)上 SiC 已經(jīng)被應(yīng)用的典型市場(chǎng)包括：軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風(fēng)電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。

SiC 器件如何提升電動(dòng)汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導(dǎo)體制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來(lái)源。而使用 SiC 則大大降低了這一過(guò)程中能量損失，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，車身可以設(shè)計(jì)得更為緊湊。

所以 SiC 和 GaN 在很多關(guān)鍵特性上看上去像是「兩兄弟」，但其實(shí)目前它們正在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域發(fā)著不同的光。GaN 有著更強(qiáng)的成本控制，SiC 則能夠勝任更極限的環(huán)境條件。

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