详解第三代半导体材料：碳化硅和氮化镓

作者 | 南湾北巷

在众多宽带隙材料中，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）尤为突出，它们不仅在开关应用中展现出巨大潜力，也在射频功率领域中展现出光明的前景。目前，业界对于GaN与SiC这两种材料的比较、它们各自适用的半导体器件，以及它们在不同开关和射频功率应用中的适应性，有着广泛而深入的讨论。

随着技术的不断进步和成本的逐步降低，SiC和GaN不仅将继续推动电子技术的发展，也将在各自的领域内实现突破，满足不同应用场景的需求。

1、第一代半导体材料：

第一代半导体材料主要指的是硅（Si）和锗（Ge）材料。在20世纪50年代，锗因其在低电压、低频率、中功率晶体管和光电探测器中的使用而主导了半导体市场。然而，锗半导体器件在耐高温和抗辐射性能方面存在不足，导致其在20世纪60年代末逐渐被硅器件所取代。硅材料制成的半导体器件不仅耐高温、抗辐射，而且通过使用高纯度的溅射二氧化硅（SiO2）薄膜，显著提升了器件的稳定性和可靠性。硅因其卓越的性能，已成为最广泛使用的半导体材料，目前超过95%的半导体器件和超过99%的集成电路都是由硅材料制成的。尽管在21世纪，硅在半导体行业的领导和核心地位保持不变，但其物理特性限制了其在光电子和高频高功率器件中的应用。

2、第二代半导体材料：

第二代半导体材料主要包括化合物半导体材料，例如砷化镓（GaAs）、铟锑化物（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；固溶体半导体，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）；玻璃半导体（非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；以及有机半导体，如酞菁、铜酞菁、聚丙烯腈等。这些材料主要用于生产高速、高频、高功率和发光电子器件，是制造高性能微波、毫米波器件和发光器件的优良材料。随着信息技术和互联网的发展，第二代半导体材料在卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航等领域得到了广泛应用。但是，砷化镓和磷化铟材料的稀缺性和高成本，以及它们的毒性和环境污染问题，限制了这些材料的进一步应用。

3、第三代半导体材料：

第三代半导体材料是指具有宽带隙（Eg≥2.3eV）的材料，代表包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石和氮化铝（AlN）。这些材料在半导体照明、电力电子、激光器和探测器等领域有着广泛的应用，每个领域都有不同的产业成熟度。第三代半导体材料以其宽带隙特性，在高温、高频、高效率和高功率电子器件中展现出巨大的潜力，是未来半导体技术发展的重要方向。尽管这些材料目前仍处于发展阶段，但它们预计将在多个领域内逐渐取代前两代半导体材料，特别是在那些对性能要求极高的应用中。

宽带隙材料的定义源于其价带顶端至导带底端间的能级差异，这一跃迁过程需要的能量通常超过1到2个电子伏特（eV）。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为这类材料的代表，因其由周期表中不同元素组成的特性，也被称作化合物半导体。

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）作为化合物功率半导体材料，因其出色的性能而受到广泛关注。与传统的硅材料相比，这些化合物半导体展现出更低的损耗和更高的效率。碳化硅是由碳和硅组成的化合物，而氮化镓则是由镓和氮组成的化合物，因此得名“化合物半导体”。它们具有比硅更宽的带隙，分别为3.3eV和3.4eV，相对于硅的1.1eV，使得它们也被称为“宽带隙半导体”。

宽带隙半导体的高介电击穿场强特性，使得这些材料能够在较薄的耐压层上实现与硅相同的击穿电压，这为设计更小型化、更高效的电力电子器件提供了可能。碳化硅和氮化镓的电子迁移率高，导电时电阻损耗低，这使得它们在功率转换应用中比硅更为高效，尤其是在高温、高频操作中表现出色。

这些材料能够在更高的温度下稳定工作，减少了对复杂冷却系统的需求，这在汽车、航空航天和工业应用中尤为重要。碳化硅和氮化镓的应用前景广阔，它们正在被越来越多地应用于电动汽车、太阳能逆变器、电源管理以及无线通信基站等领域，以提高能效和性能。

随着技术的进步和生产成本的降低，预计碳化硅和氮化镓将在未来的半导体市场中占据更加重要的地位，推动电力电子技术的持续创新和发展，被广泛认为是引领未来电力电子领域的“下一代功率半导体”。

SiC和GaN因其宽带隙、高临界电场、高电子迁移率和优异的热导率，为现代电子系统的设计和实现提供了更多可能性。SiC在高功率应用中表现出其独特的优势，而GaN则在高频操作中展现出其潜力。随着技术的不断进步，这些宽带隙材料将在未来的电子系统中扮演更加关键的角色，推动电力电子、射频通信和许多其他领域的创新与发展。

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）以其卓越的物理特性，在半导体材料领域中占据了重要地位。这些材料不仅作为宽带隙半导体表现出色，而且在作为材料本身的特性上也超越了硅。在衡量半导体性能的关键指标（εμeEc^3）上，碳化硅的性能是硅的440倍，而氮化镓更是达到了硅的1130倍，这表明它们在电子迁移率和击穿场强方面具有显著的优势。

随着这些材料的潜力被逐渐挖掘，相关的周边技术也在不断进步，以便更好地利用这些化合物半导体的特性。通过用碳化硅或氮化镓替代传统的硅半导体，可以设计出更加紧凑、能效更高的电子设备，这在功率电子领域尤为重要。

1、禁带宽度(eV)

在固体物理学中，带隙是一个至关重要的概念，它定义了固体内部电子能级分布的一个特殊区域。这个能量范围被称为带隙或能隙，其特点是在这个区间内不存在允许的电子态。在固体的电子能带结构图中，带隙通常指的是价带顶部与导带底部之间的能量差，这一能量差以电子伏特（eV）为单位进行度量。

价带是电子在原子间共享时形成的较低能量态的集合，而导带则是较高能量态的集合，其中电子可以相对自由地移动。带隙的大小直接关联到电子从价带激发到导带所需的能量，这一过程对于电子释放成为自由电荷载体至关重要。自由电荷载体能够在固体材料内部自由移动，从而参与导电过程。

带隙的存在是决定固体电导性的一个关键因素。一般来说，具有较大带隙的物质是绝缘体(Insulator)，通常这个能量差大于4电子伏特（eV）,因为电子很难获得足够的能量跨越带隙，从而限制了电荷的流动。带隙较小的物质是半导体，电子在适当条件下（如温度升高或光照）可以较容易地从价带跃迁到导带，使得材料具有一定的电导性。而导体(conductor)则具有非常小的带隙或根本没有带隙，因为它们的价带和导带可能发生重叠，允许电子即使在常温下也能自由移动。例如，当讨论半导体材料的带隙时，会提到它们具有特定数值的带隙，如硅的带隙约为1.1 eV，这意味着电子需要至少1.1电子伏特的能量才能从价带跃迁到导带，从而在材料中自由移动并导电。

在半导体技术中，通过掺杂等手段可以调整材料的带隙特性，从而精细控制其电学性能。例如，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这样的宽带隙半导体具有高电子迁移率和高击穿电场强度，使它们非常适合高功率和高温应用。这些材料的带隙特性使它们在高效率能量转换、电动汽车、可再生能源系统以及各种高性能电子器件中扮演着重要角色。随着材料科学和器件工程的不断进步，对带隙的深入理解和应用将推动电子技术的持续创新和发展。

2、相对介电常数

半导体的相对介电常数（相对电容率），通常用符号表示，是一个无量纲的数值，用于描述半导体材料中电介质的极化程度，也就是在外加电场作用下，材料存储电荷能力的强弱。

第三代半导体材料，如硅碳化物（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等，相比于第一代（如硅Si）和第二代（如砷化镓GaAs）半导体材料，确实通常具有较低的相对介电常数。

具体来说，第三代半导体材料的相对介电常数值大致如下：

• SiC：相对介电常数大约在9.6到10.3之间。

• GaN：相对介电常数大约在8.9到9.5之间。

这些值与硅（Si）相比，硅的相对介电常数大约为11.7，可以看出第三代半导体材料的相对介电常数确实较低。这种特性使得第三代半导体特别适合用于高电压、高频率和高温环境的电力电子器件，如电动汽车的牵引逆变器、太阳能逆变器、高速铁路的电力转换系统等。

3、击穿场强(mV/cm)

半导体的击穿场强（Breakdown Field Strength）是指在半导体材料中能够引起雪崩击穿（Avalanche Breakdown）的临界电场强度。

雪崩击穿是指在高电场作用下，载流子（电子或空穴）获得足够的能量，与晶格原子碰撞产生更多的电子-空穴对，导致电流急剧增加的现象。

击穿场强通常以电压每厘米（V/cm）或者电压每米（V/m）为单位。这个参数对于设计高压半导体器件非常重要，因为它决定了器件能够承受的最大电场强度而不发生击穿。

以下是一些常见半导体材料的击穿场强大致范围：

• 硅（Si）：在室温下，硅的击穿场强大约在2×10^5到3×10^5 V/cm。

• 硅碳化物（SiC）：SiC的击穿场强比硅高得多，大约在2×10^6到3×10^6 V/cm，这使得SiC非常适合用于高电压应用。

4、飘逸饱和速度(10^7cm/s)

半导体中的电子飘逸饱和速度（Electron Drift Velocity Saturation）是指在一定的外加电场作用下，电子在半导体材料中的漂移速度达到一个最大值后，即使电场强度继续增加，漂移速度也不会有显著提高。这个现象是因为在高电场下，电子与晶格的碰撞（声子散射）变得更加频繁，限制了电子速度的进一步增加。

在实际应用中，电子飘逸饱和速度对于设计高速半导体器件，如晶体管和二极管，具有重要意义。这些器件的性能在很大程度上取决于载流子在其中的移动速度。因此，理解和优化电子飘逸饱和速度对于提高器件性能至关重要。

第三代半导体材料，包括硅碳化物（SiC）、氮化镓（GaN）等，因其独特的物理特性，确实展现出较高的电子飘逸饱和速度。这些材料的电子飘逸饱和速度通常比传统的硅（Si）半导体材料要高，这对于高性能电子器件的设计和应用至关重要。

第三代半导体的电子飘逸饱和速度特点：

硅碳化物（SiC）：SiC的电子飘逸饱和速度可以达到107cm/s的量级，这使得SiC非常适合用于高功率和高频率的应用，如电动汽车的牵引逆变器和高频电源转换器。

氮化镓（GaN）：GaN在HEMT（高电子迁移率晶体管）结构中展现出极高的电子迁移率，其电子飘逸饱和速度也非常快，适合用于微波频率器件和快速开关应用。

5、热导率

半导体的热导率（Thermal Conductivity）是描述材料在单位时间内通过单位面积的热量随温度梯度传递的能力的物理量。它通常用符号k表示，单位是瓦特每米开尔文（W/m·K）。

热导率是半导体材料的重要物理特性之一，它对于电力电子器件的设计和性能至关重要，因为这些器件在工作时会产生热量。高热导率的材料可以更有效地将热量从器件内部传导到外部，从而帮助维持器件在适宜的工作温度下运行。

以下是一些常见半导体材料的热导率范围：

1. 硅（Si）：作为最常用的半导体材料，硅的热导率约为 150-160 W/m·K 在室温下。

2. 硅碳化物（SiC）：第三代半导体材料，热导率非常高，大约在 400-500 W/m·K，这使得 SiC 非常适合用于高功率、高温应用。

3. 氮化镓（GaN）：另一种第三代半导体材料，GaN 的热导率较低，室温下约为 130-230 W/m·K，具体数值取决于晶体的晶体取向和质量。

6、Electron Mobility电子迁移率

电子迁移率（Electron Mobility）是衡量半导体或绝缘材料中电子在电场作用下移动能力的物理量。它定义为电子的平均漂移动力与作用在电子上的电场强度的比值。数学表达式为：μe=v/F

其中：μe代表电子迁移率。v代表电子的漂移速度。F代表作用在电子上的电场力。

电子迁移率的单位是平方厘米每伏特每秒（cm²/Vs），它反映了在1伏特/厘米的电场作用下，电子每秒能够漂移的平方厘米数。这个参数对于半导体器件的性能至关重要，因为它直接影响器件的响应速度和电流承载能力。

7、功率密度

半导体功率密度是指在半导体器件中，单位面积上可以承受的功率水平，通常以瓦特每毫米（W/mm）为单位。这个参数对于评估半导体器件在高功率应用中的性能至关重要，因为它涉及到器件的热管理和可靠性。在高功率应用中，如电动汽车、太阳能逆变器和高频电源转换器，高功率密度的半导体器件是非常受欢迎的，因为它们可以在较小的尺寸下提供更高的功率，同时还能保持高效率和快速响应。

Figure of Merit

多年来，为了评估和比较不同功率半导体材料的性能，研究者们开发了多种性能比较指标（Figure of Merit，简称FoM），这些指标在电力电子领域被广泛使用。其中，约翰逊指标（Johnson FoM）、凯斯指标（Keyes FoM）、巴利加指标（Baliga FoM）以及巴利加高频指标（Baliga high-frequency FoM）尤为著名。

约翰逊性能比较指标（Johnson FoM）专注于低压晶体管的功率频率特性，为低电压应用提供了一个重要的性能评价基准。凯斯性能比较指标（Keyes FoM）则着眼于集成电路中晶体管的开关行为及其热限制，帮助设计者理解和优化器件的热性能。巴利加性能比较指标（Baliga FoM）专注于低频单极晶体管中的导电损耗，通过识别影响导电损耗的材料参数，为功率半导体的效率优化提供了方向。而巴利加高频性能比较指标（Baliga high-frequency FoM）则突出了在高频应用中，如使用碳化硅（SiC）这样的宽带隙材料，相比于传统半导体可以显著降低功耗的优势。

巴利加性能比较指标（Baliga FoM）是一个衡量半导体材料在低频单极晶体管中性能的重要指标，它通过考虑材料的电子迁移率、击穿场强和导通电阻等关键特性，来评估材料在特定应用中的潜在性能。这一指标对于设计高效率的功率器件至关重要，尤其是在电源转换器、电动汽车充电器和电机驱动器等需要低导通损耗的应用中。，其中ε是材料的介电常数，μ是电子迁移率，而Eb是临界击穿电场。

在碳化硅晶圆衬底方面，近年来其质量的提升已经使得更大直径的晶圆得以应用，这促进了高电流和低成本设备的开发和采用。这些进展为制造更高效、成本效益更高的功率电子器件提供了可能。

尽管如此，氮化镓晶圆衬底的成本依然较高，这限制了其在高电流应用中的广泛采用。作为解决方案，业界通常采用在低成本的硅晶圆衬底上形成氮化镓活性层的水平结构。虽然这种方法在制造高电流产品时面临挑战，但通过工艺的微缩化，氮化镓已经在需要极快速切换操作的应用中得到了越来越广泛的应用，如射频功率放大器和高效率的电源转换器。

总体而言，碳化硅和氮化镓作为后硅时代的功率半导体材料，它们的发展前景广阔，预计将在未来的电子设备中扮演更加关键的角色。随着制造技术的进步和成本的降低，这些材料的应用将进一步扩展，推动电力电子技术的革新和进步。

宽带隙（WBG）半导体技术，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），正成为当今科技界的焦点，它们承诺将带来从普及无线充电到大幅缩小功率转换器尺寸的革命性变革。

尽管GaN较SiC晚上市，并且由于成本、产量和可靠性的问题，其在市场上的普及速度相对较慢。但从理论上讲，GaN因其电子迁移率远超SiC和Si，具备实现更快开关速度的潜力。不过，GaN的热导率大约只有SiC的三分之一，这限制了其在功率密度方面的应用潜力。

目前，SiC器件广泛应用于大约650V至1.2kV甚至更高电压等级的场合，而GaN器件主要局限于650V的电压等级，在这个电压范围内，GaN在成本和成熟度方面难以与SiC竞争。GaN的供应商期望，随着成本降低，其将在低压/功率市场，包括数据中心、电动车/混合动力车和光伏等领域获得更广泛的应用。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）晶体管的可获得性正在提高，它们正成为应对汽车电气设备挑战的理想选择。这些器件的关键优势包括：

• 支持高达650V、900V和1200V的电压等级

• 实现更快的开关速度

• 能够在更高的温度下稳定运行

• 降低导电电阻，最小化功率损耗，提升能效

综上所述，GaN和SiC半导体因其独特的物理特性和优势，在功率转换系统中提供了显著的性能提升，特别是在效率、功率密度和高温耐受性方面。

随着这些宽带隙材料技术的不断进步和成本的降低，预计它们将在未来的电力电子领域扮演更加关键的角色，推动电动汽车、可再生能源、高效电源管理等众多行业的创新和发展。

在当今的半导体行业中，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）作为第三代半导体材料，正以其卓越的性能在多个领域内引领技术革新。这些材料以其高效率、高频率和耐高温的特性，在消费电子、汽车电子、工业自动化、5G通信等市场中发挥着越来越重要的作用。

截至2023年，全球SiC功率器件市场规模已经达到了19.72亿美元，预计在接下来的一年中将增长至26.23亿美元。

SiC和GaN的产业链涵盖了从衬底和外延片的生产到器件和模块的制造，最终应用覆盖5G通信、新能源汽车、光伏产业等多个前沿领域。特别是碳化硅衬底和外延片，作为器件制造的关键环节，其技术门槛较高，市场规模也在不断扩大。2023年，全球导电型和半绝缘型碳化硅衬底市场规模分别达到了6.84亿美元和2.81亿美元，预计在2024年将分别增长至9.07亿美元和3.26亿美元。

在SiC和GaN领域，国际厂商目前占据着市场的主导地位。然而，中国企业如天岳先进（SICC）在全球导电型碳化硅衬底材料市场占有率排行中已经跃居全球第二，显示出国内企业在这一领域的竞争力。

在碳化硅晶圆衬底方面，近年来其质量的提升已经使得更大直径的晶圆得以应用，这促进了高电流和低成本设备的开发和采用。这些进展为制造更高效、成本效益更高的功率电子器件提供了可能。

GaN领域中，GaN Systems、Transphorm、VisIC等公司在市场上表现活跃，并且受到了资本市场的广泛关注。

氮化镓晶圆衬底的成本依然较高，这限制了其在高电流应用中的广泛采用。作为解决方案，业界通常采用在低成本的硅晶圆衬底上形成氮化镓活性层的水平结构。虽然这种方法在制造高电流产品时面临挑战，但通过工艺的微缩化，氮化镓已经在需要极快速切换操作的应用中得到了越来越广泛的应用，如射频功率放大器和高效率的电源转换器。

总体而言，碳化硅和氮化镓作为后硅时代的功率半导体材料，它们的发展前景广阔，预计将在未来的电子设备中扮演更加关键的角色。随着制造技术的进步和成本的降低，这些材料的应用将进一步扩展，推动电力电子技术的革新和进步。

资本市场对SiC和GaN的兴趣持续增长，众多中国企业成功获得投资，这反映出市场对这些材料未来发展前景的乐观预期。尽管市场增长迅猛，SiC和GaN功率半导体仍面临一些挑战，包括制造成本的高昂和供应链稳定性的不确定性。然而，随着5G技术的不断扩展、电动汽车市场的持续增长，以及军事和航空航天应用的不断深化，这些半导体材料的市场潜力巨大，为行业参与者提供了丰富的机遇。

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