作者
睿查森电子
储能与电力转换
WBG 半导体
硅是一种单一的化学物质，而碳化硅则是碳与硅的化合物。氮化镓是镓与氮的化合物。因此，使用这些成分生产的半导体也被称为 "化合物半导体"。
碳化硅和氮化镓属于 WBG 半导体，与传统的硅半导体相比具有多项优势。
随着电动汽车、可再生能源系统和下一代消费类电子产品不断挑战极限，宽带隙材料正蓄势待发。
WBG 半导体的优势
多年来，硅一直占据主导地位，但在越来越多的现有和新兴应用中，硅的性能已达到极限。碳化硅和氮化镓在可靠性、能效、功率密度以及缩小系统尺寸和降低成本方面具有重要优势。这些优势使碳化硅和氮化镓有可能使尖端电子和光学设备的性能大大优于硅。
由于 WBG 半导体能承受更大的电场，因此能承受更高的电压。它们还能以更高的开关频率工作，从而提高性能，最大限度地降低滤波要求，并允许使用更小的相关电感器和电容器元件。
与硅相比，这些因素带来了多种优势，包括更小、更快、更高效和更可靠的运行。更高的电压能力为更高功率的设计带来了机会，并显著提高了效率，从而以更小的外形尺寸实现相同的性能，或以相同的外形尺寸提高性能。效率与重量成反比，最终与目标应用运行时的碳排放量成反比。
许多基于 WBG 技术的器件还具有在比传统硅器件更高的最高温度下工作的优势。
碳化硅与氮化镓：比较
与带隙为 1.12 eV（电子伏特）的硅相比，氮化镓和碳化硅的带隙分别为 3.4 eV 和 3.2 eV，高出约三倍。这意味着两者都能以更薄的芯片支持更高的电压；这有助于提高开关频率能力。此外，这两种技术之间还存在一些材料特性差异，这些差异会影响它们的工作方式和使用场合。主要差异可归纳如下：
电子迁移率：氮化镓和碳化硅最重要的区别在于电子迁移率。这是衡量电子在半导体材料中移动速度的标准。硅的电子迁移率为 1500 cm2/Vs，而氮化镓的电子迁移率为 2000 cm2/Vs，这意味着电子的移动速度比硅快 30%。而碳化硅的电子迁移率为 700 cm2/Vs，这意味着碳化硅电子的移动速度比氮化镓和硅都要慢。有了如此高的电子迁移率，氮化镓在高频应用中的适用性几乎提高了三倍。
击穿场强：氮化镓和碳化硅的击穿场强相似，氮化镓为 3.3 MV/cm，碳化硅为 3.5 MV/cm。硅的击穿场强为 0.3 MV/cm，这意味着氮化镓和碳化硅在维持单位芯片厚度的更高电压方面的能力几乎是硅的十倍。它们还能使用更小、更薄的器件来支持更低的电压。
导热性：材料的导热性是指材料传递热量的能力。导热性直接影响材料在使用过程中的温度升高。在大功率应用中，材料的低效率会产生热量，从而提高材料的温度，进而改变其电气特性。氮化镓的热导率为 1.3 W/cmK，低于硅的 1.5 W/cmK。
碳化硅的热传导率为 5 W/cmK，使其在传递热负荷方面的性能提高了三倍多。这使得碳化硅在大功率、高温应用中具有优势，这些应用并不总是需要高频开关，但需要更高的工作电压和更好的散热性能。例如电动汽车、某些太阳能发电设计、铁路牵引、风力涡轮机、电网配电以及工业和医疗成像。
表 1 总结了氮化镓和碳化硅的主要特性。
参数 | 符号 | 单位 | Si | SiC | 氮化镓 | 带隙 | Ec | 电子伏特 | 1.12 | 3.2 | 3.43 |
|---|---|---|---|---|---|
相对介电常数 | εs | - | 11.9 | 10 | 9.5 |
电子迁移率 | μn | cm2/(V.s) | 1500 | 700 | 2000 |
峰值电子速度 | v峰值 | 107>- 厘米/秒 | 1 | 2 | 2.5 |
临界电场 | 生态 | MV/cm | 0.3 | 3.0 | 3.3 |
表 1：碳化硅和氮化镓半导体的主要特性
碳化硅和氮化镓：应用实例
WBG 元件是功率应用的理想选择，但其在许多领域的应用却非常多样化。一般来说，SiC 通常用于电压较高和功率较大的应用，而 GaN 则擅长于电压较低、频率较高和以高效率为主要设计目标的应用。SiC 器件的应用实例包括
电动汽车和快速充电器/非接触式电力传输：用低损耗的碳化硅器件取代逆变器中使用的硅器件，可实现逆变器的高效率和轻量化，延长电动汽车的行驶里程，并减少电池负荷。具有高耐压和高频率工作特性的碳化硅器件是使用非接触式功率传输的电动汽车快速充电器的最佳选择。
可再生能源逆变器（太阳能和风能）：在太阳能和风能系统中，SiC 逆变器可在较高功率水平下，通过最大限度地减少功率损耗，最大限度地提高能量输出。鼓励太阳能制造商和工程师使用碳化硅而非其他材料的另一个因素是它的耐用性和可靠性。碳化硅的可靠性使太阳能系统能够实现连续运行十多年所需的稳定寿命。值得注意的是，氮化镓器件正在小型太阳能逆变器中找到用武之地，尤其是在对效率要求极高的单面板 "微型逆变器 "中。
工业电机驱动器：SiC 提供的电机逆变器效率更高、体积更小、散热性能更好，可将电机驱动器安装在本地或电机本身。SiC 的效率和大功率处理能力提高了工厂和工业厂房中工业电机的性能。
高压电源：碳化硅晶体管在制造高效、紧凑的高压电源方面发挥着重要作用。
碳化硅在高功率领域占据主导地位，而氮化镓则在较低功率水平（几千瓦）上表现出色。氮化镓晶体管具有较低的传导损耗和开关能量损耗，从而提高了效率，降低了系统外形尺寸。一些应用实例包括
直流-直流转换器（稳压器）：氮化镓效率的提高使其成为各种电子设备中稳压器的理想选择。
USB-PD 电源：这些设备必须能够快速充电并提供多种电压，以便连接各种设备。它们还必须尽可能小巧，以便于携带。氮化镓器件（如高电子迁移率晶体管 (HEMT)）可有效满足这些要求，因为它们是高压器件，能够在保持高效率的同时实现兆赫开关。
雷达系统：氮化镓器件的高功率密度特性可设计出更紧凑、更轻便的系统，同时提供更远的探测距离和更高的分辨率。
5G 和 6G 通信塔：氮化镓具有更快的速度和更高的功率密度，是微波应用的理想解决方案，尤其是在 5G 和 6G 网络中。主要的替代品硅横向扩散 MOS（LDMOS）器件成本较低，但性能下降。在 4 GHz 及以上频率中，氮化镓几乎不面临竞争。
高速无线通信：氮化镓基器件具有高击穿电压和高电子迁移率，可在太赫兹频率范围内工作，有可能成为下一代超高速
无线通信的关键使能技术。
光电子学：氮化镓是蓝光 LED 和激光器的核心材料，是显示技术和光存储的基础，而基于氮化镓的白光 LED 则是现代节能固态照明解决方案的基石。
表 2 总结了这两种 WBG 半导体的定性比较。
特点 | SiC | 氮化镓 | 电压 | 高（高于 650 V） | 中型（最高 650 V） |
|---|---|---|
电源 | 中到高 | 低至中等 |
温度公差 | 高 | 中度 |
频率 | 中度 | 高 |
系统尺寸 | 更大 | 较小 |
费用 | 较低 | 更高 |
典型应用 | 电网、电动汽车逆变器、电机 | 射频器件、高速电源、紧凑型设计 |
表 2：碳化硅和氮化镓的定性比较
环境影响
随着各行各业越来越重视可持续发展和环境责任，评估碳化硅和氮化镓等材料对环境的影响变得至关重要。
碳化硅具有多项环保优势，主要源于其耐用性和效率。它的高导电性和较低的高压开关损耗可减少电力电子器件的能量损失，从而提高能效并减少温室气体排放。碳化硅的坚固性和可靠性有助于延长产品寿命，减少电子废物。
此外，SiC 被认为是一种相对丰富的材料，有充足的硅和碳资源可供生产，从而减少了对资源枯竭的担忧。在废弃处理方面，SiC 的化学稳定性使其具有惰性和无毒性，在报废时对环境造成的风险极小。
氮化镓主要通过其能效和高性能特性带来环境效益。其低导通电阻和快速开关速度可减少功率损耗，从而在上述各种应用中降低能耗和碳排放。
有关氮化镓对环境影响的担忧主要围绕镓的来源，因为镓是一种通过采矿工艺提取的相对稀有的元素。不过，目前正在努力改进镓的提取技术并探索替代来源，以减轻这些担忧，确保氮化镓的可持续生产。
与传统半导体材料相比，碳化硅和氮化镓具有显著的环境效益，但要进一步优化其可持续发展性，持续的研发工作至关重要。
成本与供应链
与硅相比，氮化镓和碳化硅的主要采购问题之一是成本相对较高。氮化镓和碳化硅的成本较高，主要是由于其生长和器件制造工艺的复杂性。例如，高质量氮化镓和碳化硅层所需的外延生长涉及到先进的技术，而这些技术与硅相比成本更高，且不够成熟。
此外，大直径晶圆的供应有限，提高了成本，影响了制造工艺的可扩展性。这种成本障碍会阻碍一些行业，特别是那些利润微薄的行业采用这些先进的半导体。
供应链和质量控制带来了额外的挑战。氮化镓和碳化硅制造技术相对较新，这意味着能够持续生产高质量材料的供应商较少。这可能导致瓶颈和交付周期的延长。
此外，要确保设备的可靠性和一致性，还需要采取严格的质量控制措施。
不过，业界在应对这些挑战方面正取得长足进步。在批量生产、外延生长和器件制造方面取得的进步稳步降低了成本，并提高了氮化镓和碳化硅器件的质量。此外，随着规模经济的实现，与硅的价格差距有望缩小，从而使宽带隙半导体获得更高的采用率。
世行集团：电子产品的未来
在碳化硅和氮化镓之间做出选择取决于应用的具体要求。SiC 是高压、大功率应用的理想解决方案，而 GaN 则擅长高频、高效应用。系统设计师在做出决定时需要考虑额定电压、功率要求、频率范围、温度耐受性和预算等因素。此外，如果项目需要现成的元件和成熟的设计实践，SiC 可能是更实用的选择。
无论选择哪种材料，SiC 和 GaN 都代表着电力电子技术的未来。随着电动汽车、可再生能源系统和下一代消费电子产品不断挑战极限，宽带隙材料将成为舞台的中心。
