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宽禁带半导体材料的优点

文章出处:启哥有何妙计网责任编辑:作者:陈启人气:-发表时间:2022-09-09 17:05:00【

碳化硅,氮化镓有个很拉风的名字叫宽禁带半导体材料,国内也叫第三代半导体。它特指禁带宽度超过2.2eV的材料主要是碳化硅(3.2eV)和氮化镓(3.34eV);超过4.0eV叫超宽禁带半导体材料,国内叫第四代半导体材料,包括氮化铝(AlN),金刚石(C),氧化镓(Ga2O3)和氧化锌(ZnO),就是上上周美国搞制裁的那个,有意思的是美国只禁了氧化镓和金刚石,不提氮化铝和氧化锌,嘿嘿!说明他们这块不行,氮化铝可能还是日本和中国搞的出色些。

禁带宽度物理意义是实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就是产生本征激发所需要的最小能量,自由电子获得足够的能量后能跃迁到导带,这个能量最小值就是禁带宽度。

禁带宽度直接决定着器件的耐压和最高工作温度,因此禁带宽度大的材料更适合高温高压场景。

相比之下硅禁带宽度只有1.12eV,碳化硅有三倍于硅的禁带宽度,因此承受同样电压的器件,碳化硅器件的面积要比硅器件小的多,只有1/10,电压越高面积比越明显,或者说同样面积下,碳化硅的耐压比硅强很多。

我们可以总结以下几点优点:

1、宽禁带半导体材料的禁带宽度大,击穿电场强度高,大大增加了宽禁带器件能够承受的峰值电压,器件的输出功率可以大大提高;

2、宽禁带材料具有高导热性、高化学稳定性等优点。使功率器件能够在更恶劣的环境下工作,大大提高了系统的稳定性和可靠性;

3、宽禁带材料具有优异的抗辐射能力。在辐射环境下,宽禁带器件的辐射稳定性比硅器件高10~100倍,是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料。

4、由于宽禁带半导体器件的结温较高,它们可以在冷却条件差、热设计保证差的环境中稳定工作。

其中半绝缘型碳化硅上主要是长氮化镓外延层制造用于射频和光电器件,导电型碳化硅衬底上长同质碳化硅外延层用来做功率半导体,两者材料应用有区别。

特别是碳化硅基氮化镓,因此氮化镓衬底实在太贵了,而且碳化硅和氮化镓有非常优异的晶格匹配度超过95%,因此碳化硅上能长出高质量的氮化镓外延层,因此氮化镓外延片把碳化硅当做最好的衬底。

这就是碳化硅一材两用,得碳化硅者得天下的说法来源。

综上所述碳化硅在大功率器件制造领域,优点比硅多太多了。

从现实而言,确实硅材料的潜力基本已经被挖的差不多了,因此对材料提出了更高的诉求,于是才有碳化硅,氮化镓材料的用武之地。

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