同是功率器件，為什么SiC主要是MOSFET，GaN卻是HEMT

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）在我們談論第三代半導體的時候，常說的碳化硅功率器件一般是指代SiC MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管），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產品？下面我們來簡單分析一下。

GaN和SiC功率器件的襯底材料區別

首先我們從襯底材料來看看SiC和GaN功率器件的區別，一般而言，SiC功率器件是在SiC襯底上生長一層SiC同質外延層，再在外延層上進行光刻和刻蝕等工序后形成器件。其中襯底是所有半導體芯片的底層材料，起到物理支撐、導熱、導電等作用；而在襯底上生長出同質或異質晶體外延層的薄片，就叫外延片，器件有時候制作在外延片的外延層上，也有時候制作在外延片的襯底上（此時外延層起到支撐作用）。

而GaN功率器件理論上可以由同質或異質外延片制作而成，其中又以同質外延最佳。這是因為異質外延由于晶格失配等問題，當襯底和外延材料不同時，容易產生缺陷和位錯，因此無論是SiC還是GaN，同質外延片都是制作功率器件的最好方案。

然而GaN襯底的制作方式復雜，目前主流的制作方式是先在藍寶石襯底上生長出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。據某國內GaN器件廠商透露，目前2英寸的GaN襯底價格高達1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場價不到300元，對比可以知道目前GaN襯底價格之高，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作為最基礎的半導體材料，當它用作GaN外延的襯底時也有不少優點，比如成本低、晶體質量高、尺寸大、導電性、導熱性好，熱穩定性好等。

不過，由于Si和GaN之間的熱失配和晶格失配很大，這種低適配性導致Si襯底上無法直接長GaN外延層，需要長出多道緩沖層（AlN氮化鋁）來過渡，因此外延層質量水平就比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，特別是在消費電子快充產品中得到廣泛應用有替代Si MOSFET的趨勢。而目前隨著工藝的進步，已經有企業將GaN HEMT做到1200V耐壓，而高壓應用也將大大拓展GaN的應用領域。

為什么GaN功率器件主要是HEMT

上一部分我們了解到GaN同質外延由于價格太高，所以目前的GaN功率器件主要是Si或SiC襯底，但實際上這個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。

因為MOSFET是在襯底上制作的，需要在襯底上形成MOSFET器件的部分結構，但由于GaN功率器件主要是基于異質外延片，為了避免晶格失配導致的缺陷等，需要長出多層緩沖層，而緩沖層是絕緣的，所以不適合做MOSFET器件。而GaN HEMT結構上是采用類似PN結的異質結產生的電子氣導電，基本上可以理解為平面結構，所以工藝上較容易實現。

當然GaN MOSFET目前也有一些公司在開發，不過總體而言目前還處于研發階段。據業內人士介紹，要實現GaN MOSFET有四個關鍵點包括一個漏電低的柵介質層；一個可以由柵壓控制開啟和關斷的形成在襯底半導體上的MOS溝道；—個可以與MOS溝道連通的源漏有源區及低接觸電阻的源漏歐姆接觸電極；一個界面態密度較低的MOS界面。

寫在最后：

受限于水平，本文主要從襯底和器件結構的角度討論了GaN功率器件目前主要是HEMT的原因。如對相關問題有專業見解，或者是文章內容有錯誤之處，歡迎留言友好討論。