gan芯片有哪些（SiC和GaN的一些技术对比）

上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起， 则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。

第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC 与 GaN 相比较，前者相对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 GaN 具有更高的电子迁移率，因而能够比 SiC 或 Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN 具备优势。

虽然学术界和产业界很早认识到SiC和GaN相对于传统Si材料的优点，但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。

SiC：极限功率器件的理想的材料

SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如 4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiC MOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本， 推进 SiC 器件和模块的普及。

SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正电源（PFC）、风电（wind）、光伏（PV）、新能源汽车（EV/HEV）、 充电桩、不间断电源（UPS）等。

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

〓 降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT 模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速 开关。

〓 低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅为 Si 的 1/10 左右。

〓 更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达800 摄氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

GaN：承上启下的宽禁带半导体材料

〓 GaN 材料与 Si/SiC 相比有独特优势。GaN 与 SiC 同属于第三代宽禁带半导体材料，相较于已经发展十多年的 SiC，GaN 功率器件是后进者， 它拥有类似 SiC 性能优势的宽禁带材料，但拥有更大的成本控制潜力。与传统 Si 材料相比，基于 GaN 材料制备的功率器件拥有更高的功率密度输出，以及更高的能量转换效率，并可以使系统小型化、轻量化，有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。

〓 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。GaN 器件逐步步入成熟阶段。基于 GaN 的 LED 自上世纪 90 年代开始大放异彩，目前已是 LED 的主流，自 20 世纪初以来，GaN 功率器件已经逐步商业化。2010 年，第一个 GaN 功率器件由 IR 投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT 已经成为GaN器件主流。2014 年，行业首次在 8 英寸 SiC 上生长 GaN 器件。

GaN 器件设计与制造：GaN 器件分为射频器件和电力电子器件，射频器件产品包括 PA、LNA、开关器、MMIC 等，面向基站卫星、雷达等市场；电力电子器件产品包括 SBD、常关型 FET、常开型FET、级联 （Cascode）FET 等产品，面向无线充电、电源开关、包络跟踪、逆变器、变流器等市场。按工艺分，则分为 HEMT、HBT 射频工艺和 SBD、 Power FET 电力电子器件工艺两大类。

同为万众瞩目的第三代半导体，SiC和GaN不可避免地会被人拿来做对比。两者相似的地方在于它们都属于宽禁带半导体的成员——在固态物理学中，禁带宽度是指从半导体或绝缘体的价带顶端到传导带底端的能量差距。宽禁带半导体内部电阻非常低，制成的元件与同类硅元件比较，效率可提升70%。低电阻可让半导体运作时的产生的热量降低，达到更高的功率与密度，宽禁带半导体关断时间极短，能够在非常高的开关频率下运作。

当然，SiC和GaN也有各自与众不同的特性，主要可分为以下两点：

性能对比

碳化硅和氮化镓半导体通常也被称为化合物半导体，因为他们是由选自周期表中的多个元素组成的。下图比较了Si、SiC和GaN材料的性能，这些材料的属性对电子器件的基本性能特点产生重大影响。

硅、碳化硅，氮化镓三种材料关键特性对比 图片来源：英飞凌

对于射频和开关电源设备而言，显然SiC和GaN两种材料的性能都优于单质硅的，他们的高临界场允许这些器件能在更高的电压和更低的漏电流中操作。高电子迁移率和电子饱和速度允许更高的工作频率。然而SiC电子迁移率高于Si，GaN的电子迁移率又高于SiC，这意味着氮化镓应该最终成为极高频率的最佳设备材料。

另外，高导热系数意味着材料在更有效地传导热量方面占优势。SiC比GaN和Si具有更高的热导率，意味着SiC器件比GaN或Si从理论上可以在更高的功率密度下操作。当高功率是一个关键的理想设备特点时，高导热系数结合宽带隙、高临界场的SiC半导体具有一定优势。GaN相对较差的导热性，使系统设计人员处理氮化镓器件的热量管理面临一个挑战。

应用对比

GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。

GaN：目前主要用于射频器件、电力电子功率器件以及光电器件。GaN的商业化应用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接带隙特性和光谱特性，相关产业已经发展的非常成熟。射频器件和功率器件是发挥GaN宽禁带半导体特性的主要应用领域。由于5G基站会用到多发多收天线阵列方案，GaN射频器件对于整个天线系统的功耗和尺寸都有巨大的改进，因此5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

SiC：SiC能大大降低功率转换中的开关损耗，因此具有更好的能源转换效率，更容易实现模块的小型化，更耐高温，目前主要用于高温、高频、高效能的大功率元件，如智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电。其中，新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素，主要的应用器件有功率控制单元(PCU)、逆变器，DC-DC转换器、车载充电器等。

总结

这两种材料可以制造许多有趣的设备。我们目前看到氮化镓被用于低功率/电压，高频率的应用中，而碳化硅被用于高功率，高电压开关电源的应用中。由于SiC已发展十多年了，GaN功率元件是个后进者，因此仅管GaN元件市场直起急追，但相较于前者，其市场仍远远落后。

不过现在只是第三代半导体产业发展的前期，随着近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持，对SiC/GaN等高性能功率元件的需求势必会增大。因此相信在未来，无论是SiC还是GaN一定都能扮演比现在更重要的角色并融入各自的商业市场中。