SiC和GaN材料特性/器件/应用场景的简单分析
国内目前很少有原理性的SiC和GaN对比的科普文章，因此本文对相关信息进行了搜集和总结，希望有所帮助。作者在半导体材料和器件方面并不专业，如果内容有错误和缺漏还请指出。
宽禁带半导体(WBG) SiC/GaN器件是目前应用较多的功率半导体器件。相比传统的Si器件，WBG器件有着耐压高、导通电阻小、开关损耗低、温度特性好、散热性能好等优点，是理想的功率半导体器件，正在快速取代Si器件，应用在车载电源、充电器、光伏等功率密度和效率要求很高的场合。
GaN晶体管和碳化硅MOSFET在工程应用中的选择，在
中有了很好的解答。
但是，目前市场上SiC和GaN器件的应用场合重合度并不高。SiC主要应用于高压大功率场合，GaN主要应用于高频中小功率场合。
比较典型的应用是
但是从材料物理极限（最大场强Ec、电子迁移率μ等）的角度来考虑，理论上GaN材料的耐压是SiC材料的3倍以上：
那么这里就需要解答两个问题：
为什么GaN器件最高耐压比SiC器件低得多 (600V vs 10+kV)？
为什么GaN器件普遍开关频率比SiC器件高？
原因主要在于两个方面：
制造工艺和器件结构
材料特性
制造工艺和器件结构
功率半导体一般要求在衬底(Substrate)上生长/沉积一层外延层(epitaxial layer)，形成漂移区(drift)阻断高压。外延层可以与衬底材料相同，也可以相异。比如目前SiC MOSFET的衬底与外延层就是相同材料的：[1]
相同材料的优点是是，衬底与外延层的晶格一致，不会由于晶格失配而导致接触面损坏，以致损坏器件。但难点在于，从衬底上生长/沉积出外延层这种工艺上难度较大，良率低。
目前，GaN外沿层的生长工艺远不及SiC成熟，良率很低，实际应用上还有很多困难。因此目前绝大多数商用GaN器件，衬底与外延层的材料都是不一致的，衬底常用材料的有Si和SiC。
衬底与外延层的材料不一致，会导致晶格失配。为了不损坏器件，必须要在衬底和外延层之间加一层缓冲层(Buffer)。常用的缓冲层的材料之一是AlN：
但缓冲层的AlN是绝缘的，意味着GaN器件的衬底和外延层之间是绝缘的，这也就决定了这种GaN器件的源极(Drain)无法像SiC MOSFET那样与衬底连接在一起，无法采用SiC MOSFET那样的垂直结构，只能用横向结构。
之前提到过，外延层漂移区的目的是承受反向高压。SiC器件的垂直结构可以使Vds垂直的加在漂移区，耐压由漂移区的掺杂和厚度决定。而GaN器件的横向结构中，电压横向加在GaN漂移区，电场会横跨器件表面，如果需要更大的耐压就需要更大晶圆的面积和器件体积，这也就决定了这种GaN器件的耐压无法做的很大。目前市面上的较多GaN器件是HEMT(High Electron Mobility Transistor)，耐压一般不超过600V.
材料特性
GaN器件无法应用在高压大功率领域的另一个主要原因是热传导率低(Thermal Conductivity)，这就意味着大功率高损耗场合下GaN器件很难散热：[2]
GaN器件目前的最大优点是开关速度快，损耗小。开关速度主要由尺寸（击穿场强Ec决定）、介电常数εr和电子漂移饱和速度Vsat决定。尺寸越小、介电常数εr越小，结电容C就越小，充放电速度越快，开关速度也越快。电子漂移饱和速度Vsat越大，耗尽层电荷去除越快，反向恢复越小，损耗越少，EMI越小。
可以看到同等耐压下，GaN器件尺寸和介电常数εr小于SiC，电子漂移饱和速度Vsat大与SiC，因此理论上GaN可以工作在比SiC更高的开关频率。
综上所示：
相比SiC器件，GaN器件的
外延层制造工艺不成熟，导致HEMT的横向结构
材料导热性能差
介电常数小
电子饱和漂移速度高
造成了目前GaN高压大功率场景下应用较少，低压高频应用场景较多的状况。
随着未来GaN制造工艺的逐渐成熟，GaN器件可能会逐渐向高电压发展，不过距离商业应用还有很长的距离。
参考
^Gallium Nitride (GaN) versus Silicon Carbide (SiC) In The High Frequency (RF) and Power Switching Applications —— Microsemi PPG
^New semiconductor technologies for power electronics —— Alisson Mengatto
转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/166528335
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