硅基器件與寬禁帶器件的區別

固體中電子的能量分布是離散的，電子都分布在不連續的能帶(Energy Band)上，價電子所在能帶與自由電子所在能帶之間的間隙稱為禁帶寬度（Energy Gap），禁帶寬度反映了被束縛價電子要成為自由電子所必須獲得的額外能量。作為現代電子技術基石的硅材料，其禁帶寬度僅為1.12eV，寬禁帶半導體材枓是指禁帶寬度在3.0eV及以上的半導體材料，基于寬禁帶半導體材料制成的器件稱為寬禁帶器件。典型的寬禁帶半導體材料有碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、金剛石等，已制成成熟器件的有SiC器件和GaN器件。

圖一 硅基器件與寬禁帶器件的對比

寬禁帶材料具有比硅高得多的臨界雪崩電場強度和載流子飽和漂移速度；具有更高的熔點，與不擅長導熱的硅相比，寬禁帶材料SiC有較高的熱導率，因此，寬禁帶器件比硅器件有更高的耐受高電壓能力，有更好的導熱性能和熱穩定性，有更強的耐受高溫和射線輻射能力，有低得多的通態電阻，有更出色高頻特性。

SiC有多種晶型，能隙、擊穿電壓等半導體特性各不相同，圖二列出了4H-SiC材料特性和器件性能（與Si對比），可以看出其器件性能全面優于硅器件。

圖二 材料特性與器件性能對應關系

碳化硅晶體材料分為半絕緣型襯底(Substrate)和導電型襯底，與硅基器件不同，碳化硅器件不可直接制作于襯底上，須用化學氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜，即形成外延片，再進一步制成器件。在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，可制得碳化硅外延片，就可進一步制成碳化硅二極管、碳化硅MOSFET等電力電子器件，這些器件能適應高溫、高頻、高電壓工作狀態，能滿足結構緊湊的高功率密度產品要求，主要用于電動汽車、航空航天等領域。

氮化鎵器件比碳化硅器件具有更好的高頻特性，但目前只可以在其他材料襯底的基礎上實施加工工藝制造相應的器件，主要有Si基和SiC基兩種。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，可制得碳化硅基氮化鎵外延片，進而制成微波射頻器件，以適應高頻、高溫、高輻射工作環境。主要用在雷達、5G基站、航天通信等環境惡劣、又要高可靠性的領域。

硅基GaN晶體管主要用作電能變換的功率開關，允許其工作于極高的開關頻率，這樣就可以減小開關電源變壓器、電感及電容的容量和體積，近來手機充電器和筆記本電腦的電源適配器也多采用GaN器件，實現了配件的小型化和高效率。

SiC和GaN一般稱為第三代半導體，而將氧化鎵稱為第四代半導體，氧化鎵是金屬鎵的氧化物，其禁帶寬度達4.9eV，屬超寬禁帶半導體，臨界擊穿電場強度更高，氧化鎵基電力電子器件具有高耐壓、小尺寸、低損耗等突出優點。

半導體材料日新月異，迄今為止發現的最好半導體材料是立方砷化硼，其對電子和空穴的遷移率都很高(硅的空穴遷移率較差)，更讓人驚喜的是，其熱導率幾乎是硅的10倍，目前熱門的SiC功率器件的熱導率僅是硅的3倍，研究表明，立方砷化硼也具有非常好的禁帶，兼備理想半導體所有主要品質，克服了硅材料的主要缺陷?！　?/p>