宽禁带半导体行业报告：SiC与GaN的兴起与未来（32页）

随着 Si 材料的瓶颈日益突出，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导 体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在 红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起， 则是以氮化镓（GaN）材料 p 型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光 二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括 GaN、碳 化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。第三代半导体（本文以 SiC 和 GaN 为主）又称宽禁带半导体，禁带宽 度在 2.2eV 以上，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电 子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。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；两者有一个很大的区别 是热导率，这使得在高功率应用中，SiC 占据统治地位；同时由于 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。

虽然学术界和产业界很早认识到 SiC和 GaN相对于传统Si 材料的优点， 但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得 到应用，无法挑战 Si 基器件的统治地位，但是随着 5G、汽车等新市场 出现，SiC/GaN 不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着 制备技术的进步，SiC 与 GaN 器件与模块在成本上已经可以纳入备选方 案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN 的时代即将迎来。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。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构，如 4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高 的电流密度，常被用来做功率器件。

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiC  MOSFET 商用，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和 外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6 英寸Si基功率器件生长线上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本， 推进 SiC 器件和模块的普及。SiC 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。  降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损 耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT 模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速 开关工作，全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速 开关。 低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻，阻值 相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可达到仅 为 Si 的 1/10 左右。 更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可高达 800 摄 氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导 率，而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功 率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自 然冷却。