由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
最新的Olivier’s Twist博客中讨论了碳化硅半导体材料在未来大功率效能应用中的作用。此外，还有另外一项半导体技术填补了硅和碳化硅之间的性能差距，即氮化镓。
氮化镓器件器件的优点是什么？
氮化镓也是一种“宽禁带”材料。正如前一篇博客所提到的那样，“禁带通常是指价带和导带之间的电子伏（eV）能差。”禁带在 2-4 电子伏之间的材料通常被视为宽禁带半导体。不过在这方面还是有一些例外，例如氧化镓（b-Ga2O3）、金刚石和氮化铝（AlN1）。
从硅、碳化硅和氮化镓的对比表格我们可以推断出，这两种宽禁带半导体之间的哪些方面需要进行取舍。
| 特性 | Si | SiC | GaN |
| 禁带宽度 (eV) | 1.12 | 3.26 | 3.4 |
| 击穿电场 (MV/cm) | 0.3 | 3 | 3.5 |
| 热导率 (W/mK) | 150 | 490 | 130 |
| 电子偏移速度（cm/s）×107 | 1 | 2.7 | 2.5 |
| 电子迁移率 (cm2/V-sec) | 1450 | 900 | 2000 |
Table {{N:1}} 表1：硅、碳化硅和氮化镓的部分共同性质
氮化镓和碳化硅都有类似的禁带能量、击穿电场和电子偏移速度。这也意味着它们均可适用于大功率密度器件而硅则适用于相对较小的器件。但是，氮化镓的电子迁移率是碳化硅的两倍，比硅高25%。电子偏移速度表示当电场作用于材料时电子穿过半导体的平均速度，而电子迁移率表示电子能否在电场内轻松移动。此外，再加上氮化镓在高频下的低损耗，氮化镓器件的切换频率将远高于硅或碳化硅器件的切换频率。氮化镓的电子迁移率也使它成为微波通信和射频技术领域中高电子迁移率晶体管（HEMT）的不二之选。
在射频和微波通信领域，氮化镓的抗电离辐射能力也使它成为卫星通信的理想选择。而氮化镓的高电子迁移率（在用于上述高电子迁移率晶体管中时）使其能够更好地放大卫星频段（频率如下）的功率，有利于卫星通信上行。目前对该材料的研究表明，降低碳化硅芯片上的氮化镓的尺寸能够扩大通信频带，使其达到30 GHz以上，从而实现更复杂的卫星数据传输。
| 频带 | 通信频率 |
| X 频带 | 7.9-8.4 GHz |
| Ku 频带 | 13.75-14.5 GHZ |
| Ka 频带 | 29-31 GHz |
表 2：表2：卫星通信上行的常用频率。
单芯片的单片微波集成电路（MMIC）在X频带和Ka频带2下的输出功率分别超过60 W和20 W。目前卫星通信中所用的半导体，即砷化镓（GaAs），不仅庞大沉重，而且输出功率较低。 因此，凭借其高出8倍的原始功率密度和提高70%的效率，氮化镓半导体能够取代砷化镓半导体，从而提高卫星性能。而碳化硅的高耐热性使其更适合高热应用（太阳能卫星和行星传感器）中的电子器件，所以碳化硅（也具有抗电离辐射性）也可被用于先进卫星应用。
GaN 氮化镓和 SiC 碳化硅有什么区别？
对于雷达技术和高开关式电源等其它应用（如用于数据中心的），具有高切换频率的氮化镓半导体是一个不错的选择。碳化硅半导体的高热导率使其成为功率传输、高速交通和更高效的可再生能源的理想工具。一般而言，氮化镓只能用于650 V左右的功率应用，而碳化硅则适用于1.2 kV以上的应用（此外，在650 V时，氮化镓的开关损耗比碳化硅低3倍以上）。两者的应用也存在重叠之处。 因此在这些市场中，更成熟或更便宜的技术将会胜出。下图展示了两类市场之间以及与目前硅市场之间的不同。
图 1：硅、SiC 和 GaN 市场对比。
氮化镓的缺点是什么？
与碳化硅相比，氮化镓的最大缺点应该就是制造工艺。一直以来在用于蓝色激光二极管时，氮化硅都是放在衬底上的，所以一般而言，可用的衬底要小于碳化硅。此外，碳化硅也可以同质外延的形式放置（放于相同材料的基板上），而氮化镓则是置于硅或碳化硅衬底上。这会降低氮化镓器件的产量，使氮化镓器件的热导率远低于理论值（330-540 W/mK）。
由于氮化镓是异质外延的，其晶体无法用于“垂直器件”，即与碳化硅结构相比，氮化镓需要增加芯片尺寸和额外的顶部接触。一般而言，垂直器件能控制更高的电压和电流。但与碳化硅相比，氮化镓器件半导体可以更快地与多个芯片装载基板上，而硅基基板氮化镓器件的质量越来越好。
宽禁带半导体的未来属于两个阵营：氮化镓和碳化硅。两种技术都拥有利基应用，而目前更多的应用偏向于碳化硅。降低制造成本和时间能够增加技术在电动汽车/混合动力汽车等新市场中的立足点。此外，开发一种能够获得同质外延氮化镓半导体的可靠方法是使氮化硅得到更广泛应用的重要因素。
氮化镓半导体的紧凑尺寸和大功率容量使其拥有更高的热密度，需要热管理以实现更有效地运作。罗杰斯提供各种散热器和液冷方案，电力电子解决方案团队很高兴能为您解答设计方面的问题。
1-《美国电力创新研究院关于新一代宽带隙电力电子应用的策略路线图》，美国电力创新研究院，第 1.0 版，2018 年 2 月
2-《氮化镓推动卫星通信》，Mike Coffey、Steve Richeson 和 Michael DeLisie，Mission Microwave 公司，《化合物半导体》第 24 卷第 7 期，2018 年 10 月 19 日
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标签：
Olivier's Twist 博客, 通用工业, 轨道交通, 风能和太阳能
发布于 2019 年 5 月 25 日
