寬禁帶半導體材料的優(yōu)點(diǎn)
碳化硅,氮化鎵有個(gè)很拉風(fēng)的名字叫寬禁帶半導體材料,國內也叫第三代半導體。它特指禁帶寬度超過(guò)2.2eV的材料主要是碳化硅(3.2eV)和氮化鎵(3.34eV);超過(guò)4.0eV叫超寬禁帶半導體材料,國內叫第四代半導體材料,包括氮化鋁(AlN),金剛石(C),氧化鎵(Ga2O3)和氧化鋅(ZnO),就是上上周美國搞制裁的那個(gè),有意思的是美國只禁了氧化鎵和金剛石,不提氮化鋁和氧化鋅,嘿嘿!說(shuō)明他們這塊不行,氮化鋁可能還是日本和中國搞的出色些。
禁帶寬度物理意義是實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強弱程度的一個(gè)物理量,也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量,自由電子獲得足夠的能量后能躍遷到導帶,這個(gè)能量最小值就是禁帶寬度。
禁帶寬度直接決定著(zhù)器件的耐壓和最高工作溫度,因此禁帶寬度大的材料更適合高溫高壓場(chǎng)景。
相比之下硅禁帶寬度只有1.12eV,碳化硅有三倍于硅的禁帶寬度,因此承受同樣電壓的器件,碳化硅器件的面積要比硅器件小的多,只有1/10,電壓越高面積比越明顯,或者說(shuō)同樣面積下,碳化硅的耐壓比硅強很多。
我們可以總結以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):
1、寬禁帶半導體材料的禁帶寬度大,擊穿電場(chǎng)強度高,大大增加了寬禁帶器件能夠承受的峰值電壓,器件的輸出功率可以大大提高;
2、寬禁帶材料具有高導熱性、高化學(xué)穩定性等優(yōu)點(diǎn)。使功率器件能夠在更惡劣的環(huán)境下工作,大大提高了系統的穩定性和可靠性;
3、寬禁帶材料具有優(yōu)異的抗輻射能力。在輻射環(huán)境下,寬禁帶器件的輻射穩定性比硅器件高10~100倍,是制作耐高溫、抗輻射的大功率微波功率器件的優(yōu)良材料。
4、由于寬禁帶半導體器件的結溫較高,它們可以在冷卻條件差、熱設計保證差的環(huán)境中穩定工作。
其中半絕緣型碳化硅上主要是長(cháng)氮化鎵外延層制造用于射頻和光電器件,導電型碳化硅襯底上長(cháng)同質(zhì)碳化硅外延層用來(lái)做功率半導體,兩者材料應用有區別。
特別是碳化硅基氮化鎵,因此氮化鎵襯底實(shí)在太貴了,而且碳化硅和氮化鎵有非常優(yōu)異的晶格匹配度超過(guò)95%,因此碳化硅上能長(cháng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延層,因此氮化鎵外延片把碳化硅當做最好的襯底。
這就是碳化硅一材兩用,得碳化硅者得天下的說(shuō)法來(lái)源。
綜上所述碳化硅在大功率器件制造領(lǐng)域,優(yōu)點(diǎn)比硅多太多了。
從現實(shí)而言,確實(shí)硅材料的潛力基本已經(jīng)被挖的差不多了,因此對材料提出了更高的訴求,于是才有碳化硅,氮化鎵材料的用武之地。
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