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硅基氮化鎵外延片和碳化硅氮化鎵外延片有什么區(qū)別？

硅基氮化鎵外延片和碳化硅氮化鎵外延片有什么區(qū)別？

2025-09-16 16:12
硅基氮化鎵外延片（GaN-on-Si）和碳化硅基氮化鎵外延片（GaN-on-SiC）的核心區(qū)別源于襯底材料的不同（分別為硅襯底和碳化硅襯底），這一差異進(jìn)一步導(dǎo)致兩者在晶體質(zhì)量、器件性能、成本及應(yīng)用場(chǎng)景上形成顯著分化。以下從多個(gè)關(guān)鍵維度展開(kāi)詳細(xì)對(duì)比：

一、核心差異：襯底材料特性

襯底是外延片的 “基底”，其物理化學(xué)特性直接決定外延層質(zhì)量和最終器件的性能上限。兩者襯底的核心參數(shù)對(duì)比如下：

特性參數(shù)硅（Si）襯底碳化硅（SiC）襯底對(duì)氮化鎵外延片的影響
導(dǎo)熱率（W/m?K）~150~490（4H-SiC）SiC 襯底散熱能力是 Si 的 3 倍以上，直接決定器件耐高溫、高功率密度性能更優(yōu)。
禁帶寬度（eV）1.123.26（4H-SiC）SiC 是寬禁帶半導(dǎo)體，與 GaN（3.4 eV）匹配度更高，器件耐高壓、抗輻射能力更強(qiáng)。
晶格常數(shù)匹配度與 GaN 晶格失配率～17%與 GaN 晶格失配率～3.5%Si 襯底失配率高，外延層易產(chǎn)生缺陷；SiC 襯底缺陷密度更低，器件壽命和可靠性更好。
熱膨脹系數(shù)（ppm/℃）2.6（25℃）4.2（25℃）均與 GaN（5.6 ppm/℃）存在差異，但 Si 的差異更大，外延生長(zhǎng)時(shí)易因熱應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂。
襯底尺寸成熟量產(chǎn) 8 英寸，可擴(kuò)展至 12 英寸主流 4-6 英寸，8 英寸逐步量產(chǎn)Si 襯底尺寸更大，適合大規(guī)模、低成本量產(chǎn)；SiC 襯底尺寸受限，量產(chǎn)效率較低。
成本極低（成熟半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈）極高（制備工藝復(fù)雜，純度要求嚴(yán)苛）Si 基外延片成本僅為 SiC 基的 1/3~1/5，是低成本場(chǎng)景的核心選擇。

二、外延生長(zhǎng)技術(shù)與外延層質(zhì)量

外延生長(zhǎng)是在襯底上 “精準(zhǔn)生長(zhǎng)” 氮化鎵薄膜的過(guò)程，襯底的匹配性直接影響工藝難度和外延層質(zhì)量：

  1. 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）

    • 生長(zhǎng)難度高：由于 Si 與 GaN 的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異極大，直接生長(zhǎng) GaN 會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)和應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜開(kāi)裂。

    • 關(guān)鍵技術(shù)：需引入緩沖層（如 AlN、AlGaN 等）逐步過(guò)渡晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，減少應(yīng)力和缺陷。即使如此，外延層的缺陷密度較高（通常在 10?~10? cm?2 量級(jí)）。

    • 外延層厚度限制：為避免應(yīng)力累積，外延層厚度通常較薄，進(jìn)一步限制了高功率場(chǎng)景的應(yīng)用。

  2. 碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）

    • 生長(zhǎng)難度低：SiC 與 GaN 的晶格和熱膨脹系數(shù)匹配度遠(yuǎn)優(yōu)于 Si，無(wú)需復(fù)雜的緩沖層設(shè)計(jì)。

    • 外延層質(zhì)量?jī)?yōu)：缺陷密度極低（可低至 10?~10? cm?2 量級(jí)），薄膜均勻性和結(jié)晶質(zhì)量更高，為器件的長(zhǎng)壽命、高可靠性奠定基礎(chǔ)。

    • 可生長(zhǎng)厚膜：應(yīng)力控制難度低，可生長(zhǎng)更厚的 GaN 外延層，適配高耐壓、高功率器件需求。

三、器件性能對(duì)比

外延片的質(zhì)量最終體現(xiàn)在基于其制備的 GaN 器件（如功率器件、射頻器件）性能上，兩者的差異集中在 “功率密度、耐高溫、可靠性” 三大核心維度：

性能維度硅基氮化鎵（GaN-on-Si）碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）
耐高壓能力中低壓為主（通?！?50V），高壓需特殊設(shè)計(jì)高壓優(yōu)勢(shì)顯著（可至 1200V 以上，甚至 6500V）
功率密度中等，受散熱限制極高，散熱快可支持更大電流密度
耐高溫性能較差（通?！?50℃），需依賴外部散熱優(yōu)異（可穩(wěn)定工作于 200℃以上）
開(kāi)關(guān)速度快（GaN 本征特性）更快（低缺陷 + 優(yōu)散熱，開(kāi)關(guān)損耗更低）
器件壽命與可靠性中等（缺陷密度較高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般）極高（低缺陷 + 耐環(huán)境，適合工業(yè)級(jí)場(chǎng)景）
器件尺寸中等（受功率密度限制）更?。ǜ吖β拭芏瓤蓪?shí)現(xiàn)器件小型化）

四、成本與量產(chǎn)能力

成本是兩者市場(chǎng)定位分化的核心因素：

  • 硅基氮化鎵：依托成熟的硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，襯底成本極低，且大尺寸（8 英寸）襯底可實(shí)現(xiàn) “一片多器件” 的量產(chǎn)，大幅降低單位成本。適合消費(fèi)電子、中小功率電源等對(duì)成本敏感的場(chǎng)景。

  • 碳化硅基氮化鎵：SiC 襯底制備工藝復(fù)雜（需高溫升華、高純提純），且大尺寸（8 英寸）襯底良率低，導(dǎo)致襯底成本是硅的 10 倍以上。整體外延片成本高，量產(chǎn)規(guī)模受限。適合高附加值、對(duì)性能要求極致的場(chǎng)景。

五、應(yīng)用場(chǎng)景分化

基于性能與成本的權(quán)衡，兩者的應(yīng)用場(chǎng)景呈現(xiàn)明確的 “高低端” 或 “中低功率 / 高功率” 分化：

1. 硅基氮化鎵（GaN-on-Si）：中低壓、低成本場(chǎng)景

  • 消費(fèi)電子：快充充電器（如手機(jī)、筆記本快充，65W~120W）、電視電源板、游戲機(jī)電源。

  • 中小功率電源：數(shù)據(jù)中心服務(wù)器輔助電源、分布式光伏逆變器（低壓側(cè)）。

  • 射頻領(lǐng)域：5G 基站中低功率射頻功放（Massive MIMO）、物聯(lián)網(wǎng)終端射頻器件。

2. 碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）：高壓、高功率、高可靠性場(chǎng)景

  • 新能源汽車：主逆變器（800V 高壓平臺(tái)）、車載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（高功率密度需求）。

  • 高壓電力系統(tǒng)：高壓直流輸電（HVDC）換流閥、智能電網(wǎng)高壓變頻器。

  • 航空航天：衛(wèi)星載荷電源、機(jī)載雷達(dá)高功率射頻功放（耐輻射、耐高溫）。

  • 工業(yè)領(lǐng)域：高頻感應(yīng)加熱電源、大型工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

六、核心差異總結(jié)與選型建議

對(duì)比維度硅基氮化鎵（GaN-on-Si）碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）
核心優(yōu)勢(shì)成本低、量產(chǎn)能力強(qiáng)、適配中低壓散熱優(yōu)、功率密度高、耐高壓、可靠性強(qiáng)
核心劣勢(shì)散熱差、缺陷密度高、高壓性能受限成本極高、量產(chǎn)規(guī)模小
關(guān)鍵指標(biāo)成本優(yōu)先、中低功率（≤650V）性能優(yōu)先、高功率（≥1200V）
典型應(yīng)用消費(fèi)電子快充、中小功率電源新能源汽車、高壓電網(wǎng)、航空航天

選型邏輯：

  • 若需求為低成本、中低功率、規(guī)模化量產(chǎn)（如消費(fèi)電子快充），優(yōu)先選硅基氮化鎵；

  • 若需求為高功率、耐高溫、長(zhǎng)壽命、高可靠性（如新能源汽車高壓逆變器），必須選碳化硅基氮化鎵。

延伸：未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

  • 硅基氮化鎵：向更大尺寸（12 英寸）襯底突破，進(jìn)一步降低成本，并通過(guò)新型緩沖層技術(shù)提升高壓性能（如突破 1200V）。

  • 碳化硅基氮化鎵：核心突破 8 英寸襯底量產(chǎn)良率，降低襯底成本，同時(shí)拓展至更高電壓（如 10kV 以上）的電力系統(tǒng)應(yīng)用。


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