電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在我們談?wù)摰谌?a target="_blank">半導(dǎo)體的時(shí)候，常說的碳化硅功率器件一般是指代SiC MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），而氮化鎵功率器件最普遍的則是GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）。為什么同是第三代半導(dǎo)體材料，SiC和GaN在功率器件上走了不同的道路？為什么沒有GaN MOSFET產(chǎn)品？下面我們來簡(jiǎn)單分析一下。

GaN和SiC功率器件的襯底材料區(qū)別

首先我們從襯底材料來看看SiC和GaN功率器件的區(qū)別，一般而言，SiC功率器件是在SiC襯底上生長(zhǎng)一層SiC同質(zhì)外延層，再在外延層上進(jìn)行光刻和刻蝕等工序后形成器件。其中襯底是所有半導(dǎo)體芯片的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等作用；而在襯底上生長(zhǎng)出同質(zhì)或異質(zhì)晶體外延層的薄片，就叫外延片，器件有時(shí)候制作在外延片的外延層上，也有時(shí)候制作在外延片的襯底上（此時(shí)外延層起到支撐作用）。

而GaN功率器件理論上可以由同質(zhì)或異質(zhì)外延片制作而成，其中又以同質(zhì)外延最佳。這是因?yàn)楫愘|(zhì)外延由于晶格失配等問題，當(dāng)襯底和外延材料不同時(shí)，容易產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)，因此無論是SiC還是GaN，同質(zhì)外延片都是制作功率器件的最好方案。

然而GaN襯底的制作方式復(fù)雜，目前主流的制作方式是先在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出GaN厚膜，分離后的GaN厚膜再作為外延用的襯底，所以成本極高。據(jù)某國(guó)內(nèi)GaN器件廠商透露，目前2英寸的GaN襯底價(jià)格高達(dá)1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場(chǎng)價(jià)不到300元，對(duì)比可以知道目前GaN襯底價(jià)格之高，是難以用于制造功率器件的。

于是退而求其次，SiC與GaN的晶格匹配度相對(duì)較高，也就是晶格失配較小，所以使用SiC襯底也是一些GaN射頻器件所選擇的方向。當(dāng)然，SiC襯底也并不便宜，因此，主流的GaN功率器件，也就采用了Si作為襯底。

Si作為最基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，當(dāng)它用作GaN外延的襯底時(shí)也有不少優(yōu)點(diǎn)，比如成本低、晶體質(zhì)量高、尺寸大、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，熱穩(wěn)定性好等。

不過，由于Si和GaN之間的熱失配和晶格失配很大，這種低適配性導(dǎo)致Si襯底上無法直接長(zhǎng)GaN外延層，需要長(zhǎng)出多道緩沖層（AlN氮化鋁）來過渡，因此外延層質(zhì)量水平就比SiC基差不少，良率也較低，僅約為60%。

所以硅基GaN此前只能用來做小功率射頻、功率器件，特別是在消費(fèi)電子快充產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用有替代Si MOSFET的趨勢(shì)。而目前隨著工藝的進(jìn)步，已經(jīng)有企業(yè)將GaN HEMT做到1200V耐壓，而高壓應(yīng)用也將大大拓展GaN的應(yīng)用領(lǐng)域。

為什么GaN功率器件主要是HEMT

上一部分我們了解到GaN同質(zhì)外延由于價(jià)格太高，所以目前的GaN功率器件主要是Si或SiC襯底，但實(shí)際上這個(gè)部分也一定程度上解釋了為什么GaN 目前主要的功率器件是HEMT而不是MOSFET。

因?yàn)镸OSFET是在襯底上制作的，需要在襯底上形成MOSFET器件的部分結(jié)構(gòu)，但由于GaN功率器件主要是基于異質(zhì)外延片，為了避免晶格失配導(dǎo)致的缺陷等，需要長(zhǎng)出多層緩沖層，而緩沖層是絕緣的，所以不適合做MOSFET器件。而GaN HEMT結(jié)構(gòu)上是采用類似PN結(jié)的異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的電子氣導(dǎo)電，基本上可以理解為平面結(jié)構(gòu)，所以工藝上較容易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然GaN MOSFET目前也有一些公司在開發(fā)，不過總體而言目前還處于研發(fā)階段。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，要實(shí)現(xiàn)GaN MOSFET有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)包括一個(gè)漏電低的柵介質(zhì)層；一個(gè)可以由柵壓控制開啟和關(guān)斷的形成在襯底半導(dǎo)體上的MOS溝道；—個(gè)可以與MOS溝道連通的源漏有源區(qū)及低接觸電阻的源漏歐姆接觸電極；一個(gè)界面態(tài)密度較低的MOS界面。

寫在最后：

受限于水平，本文主要從襯底和器件結(jié)構(gòu)的角度討論了GaN功率器件目前主要是HEMT的原因。如對(duì)相關(guān)問題有專業(yè)見解，或者是文章內(nèi)容有錯(cuò)誤之處，歡迎留言友好討論。