宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC).docx

宽禁带半导体材料氮化镇(GaN)和碳化硅(SiC)目录1 .氮化钱是原子晶体12 .什么是GaN氮化钱？ 23 . GaN有何优势？ 24 . GaN的优势能够带来什么？ 35 .为什么aN比Si好？ 36 .第一代：元素半导体47 .第二代：化合物半导体48 .第三代：宽禁带半导体49 .宽禁带材料双子星不得不说的SiC410 . *Si、GaN、SiC应用区间对比510.1. 为什么我们的充电器用的都是GaN而不是SiC呢？ 510.2. SiC的主要应用场景510.3. 3. SiC器件如何提升电动汽车的系统效率61 .氮化钱是原子晶体氮化钱是一种化合物，化学式为GaN,由钱(Ga)和氮(N)两种元素组成。它 是一种化合物晶体，由原子晶体构成。氮化钱具有坚硬的晶体结构和优异的物理化学性质，是一种重要的半导体 材料。它具有宽带隙(34电子伏特)，在紫外到蓝色波段有较高的透明性。这种 特性使氮化钱成为光电子学领域的重要材料，广泛应用于LED(发光二极管)、激 光器、太阳能电池等器件中。氮化钱晶体的结构属于尖晶石结构(CUbiC spessartine structure),即半导体 硅晶体结构。在氮化钱晶格中，每个氮原子与周围四个钱原子形成四面体结构。 晶体中的钱原子和氮原子通过共价键连接在一起，形成类似于钠氯化物(NaCI) 的离子结构。氮化钱晶体的制备通常采用化学气相沉积(CVD)和分子束外延(MBE)等方 法。在CVD方法中，钱和氮源气体通过化学反应沉积在基底上，形成氮化钱晶 体。而在MBE方法中，通过在真空中蒸发和沉积钱和氮，使其形成氮化像晶体。氮化像晶体具有优异的电学性能，其具有较高的载流子迁移率和较高的击 穿电压。这使得氮化钱在高电压电子器件中得到广泛应用。此外，氮化钱晶体 还具有较高的热导率和较好的机械稳定性，使其在高功率电子器件中表现出优 异的性能。随着科技的不断发展，氮化钱在光电子学、电子学和微电子学等领域的应 用越来越广泛。特别是在LED照明领域，氮化钱作为LED芯片的主要材料，取 代了传统的照明设备，成为一种更节能、更环保的照明方式。总结来说，氮化钱是一种由钱和氮两种元素组成的化合物晶体。它具有尖 晶石结构，属于原子晶体。氮化像晶体具有优异的物理化学性质，广泛应用于 光电子学、电子学和微电子学等领域，推动了技术的进步和社会的发展。2 .什么是GaN氮化钱？从分子结构看，科学解释：GaN:由钱（原子序数31）和氮（原子序数7）结合而来的化合物。它是拥有稳 定六边形晶体结构的宽禁带半导体材料。禁带：是指电子从原子核轨道上脱离所需要的能量，GaN的禁带宽度为 3.4eV,是硅的3倍多，所以说GaN拥有宽禁带特性（WBG）。禁带宽度决定了一 种材料所能承受的电场。GaN比传统硅材料更大的禁带宽度，使它具有非常细 窄的耗尽区，从而可以开发出载流子浓度非常高的器件结构，而载流子浓度直 接决定了半导体的导电能力。为什么GaN这么受欢迎？要回答这个问题，我们就要先回答：3. GaN有何优势？由于GaN具有更小的晶体管、更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势, GaN充电器的运行速度，比传统硅器件要快IOO倍。GaN在电力电子领域主要 优势在于高效率、低损耗与高频率，GaN材料的这一特性令其在充电器行业大 放异彩。更重要的是，GaN相比传统的硅，可以在更小的器件空间内处理更大的电 场，同时提供更快的开关速度。止匕外，氮化钱比硅基半导体器件，可以在更高 的温度下工作。说人话就是：基于GaN功率芯片的充电器充电速度比传统硅充电器快高三 倍，但尺寸和重量，甚至只有后者的一半。同时还有耐高温、低损耗等特点。这就是为什么我们现在看到的充电器能够轻松达到65W、IOOW,但同时它 们的体积却并不大的原因，至少这在以往是难以想象的。4. GaN的优势能够带来什么？我们把这种材料技术带来的优势分成两个层面解读：产品与行业。对产品：在电力电子领域，基于GaN材料制备的功率器件拥有更高的功率 密度输出，以及更高的能量转换效率。除此之外可以使系统小型化、轻量化， 有效降低电力电子装置的体积和重量，从而极大降低系统制作及生产成本。对行业：相关数据表明，在低压市场，GaN的应用潜力甚至可以占据到整 个功率市场约68%的比重。另一点可能是你比较意外的，那就是GaN技术还可以有效降低碳排放。其 碳足迹比传统的硅基器件要低10倍。据估计，如果全球采用硅芯片器件的数据 中心，都升级为使用GaN功率芯片器件，那全球的数据中心将减少30-40%的 能源浪费。这相当于节省了 100兆瓦时太阳能和L25亿吨二氧化碳排放量。因 此GaN的吸引力不仅仅在于性能和系统层面的能源利用率的提高。5 .为什么aN比Si好?半导体发展史：硅作为第一代半导体材料的典型代表，其技术与应用 发展到如今已经是炉火纯青，甚至于，目前全球95%以上的半导体芯片和器件 都是用硅片作为基础功能材料而生产出来。但我们需要知道，任何材料其性能和效率都存在一个理论极限，随着硅材 料技术的日臻佳境的发展，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的诸多限制 也开始体现出来。也就是说，硅的性能已经开始跟不上各种应用场景的需求了。根本原因就 在于硅本身的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低。当材料技术的发展遭遇 瓶颈，那么我们必将寻求新的代替者，获得更加优秀的解决方案。在这条关于 更高性能的探索路上就开始了。6 .第一代：元素半导体典型如硅基和倍基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广， 一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。以硅材料为代表的第一代半导体 材料，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展 和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。7 .第二代：化合物半导体20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信 息高速公路和互联网的兴起，以碑化钱(GaAs)、磷化锢(InP)为代表的第二代半 导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及 发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛 应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料 资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，污染环境，这些缺点使得第二代半导体 材料的应用具有很大的局限性。8 .第三代：宽禁带半导体第三代半导体包括碳化硅(SiC)、氮化钱(GaN)、氮化铝(ALN) 氧化钱(Ga2O3) 等。它们的禁带宽度在2.3eV以上，其中又以SiC碳化硅和GaN氮化钱为代表。 与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、 热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，翻译下来就是：高频、 高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强。凭借极优越的性能和巨大的 市场前景，第三代半导体材料正在成为全球半导体市场争夺的焦点。*GaN*SiC9 .宽禁带材料双子星一一不得不说的SiC目前来看，SiC和GaN的技术研究进展较快，并且已经开始有了广泛应用。 SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些。SiC 禁带宽度为3.23ev, GaN禁带宽度为3.4evoSiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面:降低电能转换过程中的能量损耗更容易实现小型化更耐高温高压材质SiGaAsGaNSiC禁带结构间接带隙直接带隙间接带隙直接带隙禁带宽度(eV)Ll I1.43.43.3电子迁移率(cm2Vs)1350_8500_ 20001000介电常数11.913.1910.1击穿场强(kV7cm) 0310.43.32.8电子饱和漂移速率(IoCms)I 112.72.2热导率(WcmK)1.5OS1.34.9器件理论最高工作温度175350c5 DO据了解，SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的50%,发热量只有Si器件 的50%,且有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC功率模块的体积显著小 于Si功率模块。听上去是不是和GaN很像？没错，这是两者材料特性决定的，在很多性能 上SiC和GaN具有十分相似的表现。10. *Si、GaNv SiC应用区间对比10. 1.为什么我们的充电器用的都是GaN而不是SiC呢？两者有一个很大的区别是热导率。这使得在高功率高温等极限场景应用中， SiC占据统治地位；而GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有 更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。简单来说就是，SiC如果 用在我们日常的手机充电器上，其实有点大材小用，这其中也牵扯到成本的问 题，综合下来其实GaN更为合适。10. 2. SiC的主要应用场景SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳 定，这使得它可以被用在非常极端的环境条件下。针对于SiC,微波及高频和短 波长器件是目前已经成熟的应用市场。在电力电子领域，SiC应用市场最大的驱 动力，可能来自于新能源汽车。事实上SiC已经被应用的典型市场包括：轨交、 功率因数校正电源(PFC)、风电(Wind)、光伏(PV)、新能源汽车(EV/HEV)、充电 桩、不间断电源(UPS)等。10. 3. SiC器件如何提升电动汽车的系统效率新能源车的功率控制单元(PeU)是汽车电驱系统的中枢神经，管理电池中的 电能与电机之间的流向、传递速度。传统PCU使用硅基材料半导体制成，强电 流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电 能损耗来源。而使用SiC则大大降低了这一过程中能量损失，同时也可以大幅降 低器件尺寸，车身可以设计得更为紧凑。所以SiC和GaN在很多关键特性上看上去像是两兄弟，但其实目前它 们正在各自擅长的领域发着不同的光。GaN有着更强的成本控制，SiC则能够胜 任更极限的环境条件。