到目前為止，半導(dǎo)體材料已經(jīng)過了三個發(fā)展階段，雖然這個領(lǐng)域并沒有“后浪拍前浪，前浪死在沙灘上”的說法，不僅以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表第三代半導(dǎo)體正處于高速發(fā)展的階段，就連硅（Si）和砷化鎵（GaAs）等第一、二代半導(dǎo)體材料也仍在產(chǎn)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。但不可否認(rèn)，第三代半導(dǎo)體確實(shí)具有更多的性能優(yōu)勢。

同為萬眾矚目的第三代半導(dǎo)體，SiC和GaN不可避免地會被人拿來做對比。兩者相似的地方在于它們都屬于寬禁帶半導(dǎo)體的成員——在固態(tài)物理學(xué)中，禁帶寬度是指從半導(dǎo)體或絕緣體的價帶頂端到傳導(dǎo)帶底端的能量差距。寬禁帶半導(dǎo)體內(nèi)部電阻非常低，制成的元件與同類硅元件比較，效率可提升70%。低電阻可讓半導(dǎo)體運(yùn)作時的產(chǎn)生的熱量降低，達(dá)到更高的功率與密度，寬禁帶半導(dǎo)體關(guān)斷時間極短，能夠在非常高的開關(guān)頻率下運(yùn)作。

當(dāng)然，SiC和GaN也有各自與眾不同的特性，主要可分為以下兩點(diǎn)：

性能對比

碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體通常也被稱為化合物半導(dǎo)體，因?yàn)樗麄兪怯蛇x自周期表中的多個元素組成的。下圖比較了Si、SiC和GaN材料的性能，這些材料的屬性對電子器件的基本性能特點(diǎn)產(chǎn)生重大影響。

硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關(guān)鍵特性對比

圖片來源：英飛凌

對于射頻和開關(guān)電源設(shè)備而言，顯然SiC和GaN兩種材料的性能都優(yōu)于單質(zhì)硅的，他們的高臨界場允許這些器件能在更高的電壓和更低的漏電流中操作。高電子遷移率和電子飽和速度允許更高的工作頻率。然而SiC電子遷移率高于Si，GaN的電子遷移率又高于SiC，這意味著氮化鎵應(yīng)該最終成為極高頻率的最佳設(shè)備材料。

另外，高導(dǎo)熱系數(shù)意味著材料在更有效地傳導(dǎo)熱量方面占優(yōu)勢。SiC比GaN和Si具有更高的熱導(dǎo)率，意味著SiC器件比GaN或Si從理論上可以在更高的功率密度下操作。當(dāng)高功率是一個關(guān)鍵的理想設(shè)備特點(diǎn)時，高導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)合寬帶隙、高臨界場的SiC半導(dǎo)體具有一定優(yōu)勢。GaN相對較差的導(dǎo)熱性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理氮化鎵器件的熱量管理面臨一個挑戰(zhàn)。

應(yīng)用對比

GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重和互補(bǔ)。

GaN：目前主要用于射頻器件、電力電子功率器件以及光電器件。GaN的商業(yè)化應(yīng)用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導(dǎo)體特性的主要應(yīng)用領(lǐng)域。由于5G基站會用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對于整個天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進(jìn)，因此5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅(qū)動因素。

SiC：SiC能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗，因此具有更好的能源轉(zhuǎn)換效率，更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化，更耐高溫，目前主要用于高溫、高頻、高效能的大功率元件，如智能電網(wǎng)、交通、新能源汽車、光伏、風(fēng)電。其中，新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅(qū)動因素，主要的應(yīng)用器件有功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器等。

總結(jié)

這兩種材料可以制造許多有趣的設(shè)備。我們目前看到氮化鎵被用于低功率/電壓，高頻率的應(yīng)用中，而碳化硅被用于高功率，高電壓開關(guān)電源的應(yīng)用中。由于SiC已發(fā)展十多年了，GaN功率元件是個后進(jìn)者，因此僅管GaN元件市場直起急追，但相較于前者，其市場仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

不過現(xiàn)在只是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，隨著近年來全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，對SiC/GaN等高性能功率元件的需求勢必會增大。因此相信在未來，無論是SiC還是GaN一定都能扮演比現(xiàn)在更重要的角色并融入各自的商業(yè)市場中。

資料來源：

【趨勢大師】碳化矽、氮化鎵功率半導(dǎo)體市場快速成長，吳金榮。

工程師兩難之GaN還是SiC？到底該pick誰？by英飛凌

氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用和優(yōu)勢對比，GaNHEMT

第一、二、三代半導(dǎo)體的區(qū)別在哪里？By GaN世界

粉體圈 NANA整理