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氮化镓/碳化硅技术真的能主导我们的生活方式?

导读: 全球有40%的能量作为电能被消耗了, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗成了一个关键的技术难题。伴随着第三代半导体电力电子器件的诞生,以碳化硅和氮化镓为代表的新型半导体材料走入了我们的视野。

  OFweek电子工程网讯:全球有40%的能量作为电能被消耗了, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗成了一个关键的技术难题。伴随着第三代半导体电力电子器件的诞生,以碳化硅和氮化镓为代表的新型半导体材料走入了我们的视野。

  早在1893年诺贝尔奖获得者法国化学家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲发现了晶莹剔透的碳化硅(SiC)单晶碎片。由于SiC是硬度仅次于金刚石的超硬材料,SiC单晶和多晶材料作为磨料和刀具材料广泛应用于机械加工行业。作为半导体材料应用,相对于Si,SiC具有10倍的电场强度,高3倍的热导率,宽3倍禁带宽度,高一倍的饱和迁移速度。

  简单来说,SiC半导体材料在三个方面被认为具有很大的市场潜力: SiC同质外延用于高电压大功率电力电子器件;高阻SiC基体材料用于生长GaN HEMT射频器件;在SiC基体材料上生长GaN LED高亮度LED外延。

  从80年代开始以美国CREE公司为代表的国际企业就开始专注于半导体应用的SiC材料商用化的开发。2000年起英飞凌首先开发出600V SiC肖特基二极管(SBD)与其COOLMOS配套使用与通讯电源的PFC应用拉开了SiC电力电子器件市场化的幕布。随后CREE,ST,罗姆等企业也纷纷推出了SBD的全系列产品。从2014年开始CREE,罗姆,GE开始在市场上推广MOSFET器件。

  氮化镓(GaN)因为缺乏合适的单晶衬底材料,基本上是在蓝宝石,SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技术生长出基本的器件结构,由于是异质外延,因此材料缺陷比较多,位错密度比较大,在上世纪90年代以前发展缓慢。进入90年代以后,日本在LED应用技术上取得了巨大的进展,特别是在中国大陆在过去10多年LED市场的高速发展,带动了GaN材料产业的产业化进程。

  由于CREE在电力电子用碳化硅材料和器件的垄断地位迫使很多功率企业采取GaN技术路线作为下一代功率半导体器件的发展方向。为了降低成本,基本上采用Si衬底上生长GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工艺制备器件。近年来GaN的单晶基体材料也有了突破进展,已经能够生长出2英寸外延。美国曾经有一家企业AVOGY曾经试图采用GaN同质外延生产PIN功率二极管和其他开关管,但是由于材料成本昂贵,并不成功。目前GaN单晶材料主要还是用于光电器件,比如激光器和太赫兹等领域。

  SiC和GaN电力电子器件由于本身的材料特性,各自都有各自的优点和不成熟处,因此在应用方面有区别 。一般的业界共识是:SiC适合高于1200V的高电压大功率应用;GaN器件更适合于40-1200V的高频应用。在600V和1200V器件应用领域,SiC和GaN形成竞争。

  如果说在电力电子器件方面,SiC和GaN存在着竞争,那么在射频器件和射频IC方面,SiC和GaN是完美的一对儿,基本材料结构是在高阻(高纯度)的SiC基体上生长GaN外延。图一这张表比较了SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数。

  ▲图一、SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数的比较

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责任编辑:Alvin
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