全球有40%的能量作為電能被消耗了, 而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。我國作為世界能源消費大國, 如何在功率電子方面減小能源消耗成了一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。伴隨著第三代半導(dǎo)體電力電子器件的誕生，以碳化硅和氮化鎵為代表的新型半導(dǎo)體材料走入了我們的視野。
早在1893年諾貝爾獎獲得者法國化學(xué)家亨利莫桑（Henri Moissan）在非洲發(fā)現(xiàn)了晶瑩剔透的碳化硅（SiC）單晶碎片。由于SiC是硬度僅次于金剛石的超硬材料，SiC單晶和多晶材料作為磨料和刀具材料廣泛應(yīng)用于機械加工行業(yè)。作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用，相對于Si，SiC具有10倍的電場強度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高一倍的飽和遷移速度。
簡單來說，SiC半導(dǎo)體材料在三個方面被認為具有很大的市場潛力： SiC同質(zhì)外延用于高電壓大功率電力電子器件；高阻SiC基體材料用于生長GaN HEMT射頻器件；在SiC基體材料上生長GaN LED高亮度LED外延。
從80年代開始以美國CREE公司為代表的國際企業(yè)就開始專注于半導(dǎo)體應(yīng)用的SiC材料商用化的開發(fā)。2000年起英飛凌首先開發(fā)出600V SiC肖特基二極管（SBD）與其COOLMOS配套使用與通訊電源的PFC應(yīng)用拉開了SiC電力電子器件市場化的幕布。隨后CREE，ST，羅姆等企業(yè)也紛紛推出了SBD的全系列產(chǎn)品。從2014年開始CREE，羅姆，GE開始在市場上推廣MOSFET器件。
氮化鎵（GaN）因為缺乏合適的單晶襯底材料，基本上是在藍寶石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技術(shù)生長出基本的器件結(jié)構(gòu)，由于是異質(zhì)外延，因此材料缺陷比較多，位錯密度比較大，在上世紀90年代以前發(fā)展緩慢。進入90年代以后，日本在LED應(yīng)用技術(shù)上取得了巨大的進展，特別是在中國大陸在過去10多年LED市場的高速發(fā)展，帶動了GaN材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進程。
由于CREE在電力電子用碳化硅材料和器件的壟斷地位迫使很多功率企業(yè)采取GaN技術(shù)路線作為下一代功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。為了降低成本，基本上采用Si襯底上生長GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工藝制備器件。近年來GaN的單晶基體材料也有了突破進展，已經(jīng)能夠生長出2英寸外延。美國曾經(jīng)有一家企業(yè)AVOGY曾經(jīng)試圖采用GaN同質(zhì)外延生產(chǎn)PIN功率二極管和其他開關(guān)管，但是由于材料成本昂貴，并不成功。目前GaN單晶材料主要還是用于光電器件，比如激光器和太赫茲等領(lǐng)域。
SiC和GaN電力電子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的優(yōu)點和不成熟處，因此在應(yīng)用方面有區(qū)別 。一般的業(yè)界共識是：SiC適合高于1200V的高電壓大功率應(yīng)用；GaN器件更適合于40-1200V的高頻應(yīng)用。在600V和1200V器件應(yīng)用領(lǐng)域，SiC和GaN形成競爭。
如果說在電力電子器件方面，SiC和GaN存在著競爭，那么在射頻器件和射頻IC方面，SiC和GaN是完美的一對兒，基本材料結(jié)構(gòu)是在高阻（高純度）的SiC基體上生長GaN外延。圖一這張表比較了SiC, GaN和Si作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用的特征參數(shù)。
▲圖一、SiC, GaN和Si作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用的特征參數(shù)的比較
