碳化硅和氮化鎵：其特性優越

過去和現在的半導體——從鍺到硅

半導體的歷史可以追溯到1950年左右引入點接觸晶體管。鍺是當時半導體產品的主要材料，但后來，具有優越特性的硅取代了鍺，并一直廣泛使用到今天。

隨著半導體制造設備的精度提高以及器件結構和晶圓工藝的優化，硅半導體產品隨著時間的推移而發展。這為我們日常生活中電子產品的小型化和進步做出了重大貢獻。

另一方面，特別是在功率半導體領域，使用物理性能值大大超過硅基半導體的化合物半導體的元件開發和實際應用取得了進展。

SiC和GaN：化合物功率半導體的損耗低于Si

從上述背景來看，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等材料最近越來越受到關注。

硅是一種單一化學物質;相比之下，SiC是碳與硅的化合物，GaN是鎵與氮的化合物。因此，使用這些化合物生產的半導體稱為“化合物半導體”。

此外，SiC和GaN提供的帶隙比硅更寬（Si：1.1eV，SiC：3.3eV，GaN：3.4eV），因此它們也被稱為“寬帶隙半導體”。

寬帶隙半導體的特點是介電擊穿場強度高，因此允許擊穿電壓與硅相同，其耐壓層比硅薄得多。

由于對引領后代的角色寄予厚望，這些半導體有時也被稱為“下一代功率半導體”。

碳化硅和氮化鎵：其物理特性優異

與硅相比，SiC和GaN（不僅作為寬帶隙半導體，而且作為材料本身）在品質因數（εμeEc3）方面顯示出其出色的性能水平：SiC高440倍，GaN高1130倍。

為了充分利用這些材料，目前正在進一步開發外圍技術。用SiC或GaN基化合物半導體取代傳統的硅基半導體將使電子設備更加緊湊和高效。

近年來，半導體材料中使用的SiC晶圓襯底質量的提高導致了更大直徑晶圓的使用。因此，已經引入了高電流和低成本設備，并開始在許多設備中采用。

但是，GaN晶圓襯底仍然昂貴，因此通常采用具有水平結構并形成GaN活性層的低成本硅片襯底。這使得制造高電流產品變得困難;然而，GaN已被用于越來越多的應用，這些應用需要通過工藝小型化進行極快的開關操作。

硅器件可能被碳化硅/氮化鎵器件取代的應用范圍

SiC器件在電機驅動和其他高壓/大電流應用中具有優勢

SiC是一種用碳代替一半硅的化合物。碳和硅結合緊密，其晶體結構比單晶硅更穩定。因此，SiC具有很高的介電擊穿場強度，從而使活性層非常薄。這使得器件具有比傳統硅器件更高的擊穿電壓和更低的損耗。

作為硅IGBT的替代品，SiC器件在高電流和高耐壓領域越來越受歡迎。

具體而言，預計在10kW以上的領域將擴大規模，在制造小型輕量化系統方面具有巨大優勢，包括發電系統的功率調節器、電動家用HEMS和電動汽車（EV）。

GaN器件在開關電源和其他緊湊型/高頻應用中具有優勢

GaN具有比SiC更穩定的鍵結構和更高的介電擊穿場強度。

目前，GaN器件通常由在硅襯底上形成的GaN活性層組成。因此，GaN器件的擊穿電壓不能像SiC器件那樣高，但它們仍然適用于高頻應用。在開關電源方面，通過高頻開關，可以縮小電感器和其他外圍元件的尺寸。

GaN器件有望應用于1kW以下的電源，在對小型設計要求很高的領域。

例如，GaN器件預計將被用作第5代移動通信系統（5G）基站的電源，預計未來幾年將擴大其市場。

USB供電（USB-PD）標準的建立還允許充電器通過USB電纜接收和供應高達100W的功率。因此，越來越多的充電器（用于智能手機、筆記本電腦等）已經標準化。

小型智能手機充電器是長期首選的產品，因此需要提供可以快速充電以及可以支持筆記本電腦等中型電子設備的充電器，而不會改變其當前尺寸。然后，GaN器件將以最佳方式實現這種需求，并可能在未來加速其擴展到許多應用。

審核編輯：郭婷