宽禁带材料包括氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）两种材料。禁带宽度能量是指使电子从价带顶跃迁到导带底所需的最小能量。更高的禁带宽度意味着更稳定的晶格结构，以及更低的本征载流子浓度。高禁带能量使得宽禁带材料制成的器件可以在高温条件下工作而不会产生过多的漏电流。

表1显示了两种宽禁带材料的材料性能对比：

材料属性

GaN

SiC

禁带能量(eV)

3.4

3.2

击穿电场强度(MV/cm)

3.3

3.5

电子迁移率(cm²/V·s)

2000

650

电子饱和速度(10⁶ cm/s)

20

25

热导率(W/cm·K)

1.3

5

介电常数

9

10.1

电荷密度(10¹³/cm²)

1

0.4

表1. 宽禁带材料性能对比


从表中可以看出，GaN 的热导率低于 SiC，但 GaN 的电子迁移率高于 SiC，这意味着 GaN 能在比 SiC 更高的频率下工作。目前，GaN 和 SiC 都已被广泛用于制造先进的半导体器件。

表2展示了两种材料在电气应用和成本效益方面的比较。

器件材料

电压范围

电流范围

成本

GaN

30 V to 1000 V

<100 A

low

SiC

1000 V to 10 KV

>100 A

high

表2. GaN 与 SiC 功率开关器件的电气性能与成本比较


如上表所示，GaN 基功率开关器件主要应用于低电压、低电流场景，例如消费电子产品、笔记本电源适配器、低压电动汽车系统及通信服务器电源等。而SiC 基功率开关器件主要应用于电压等级高于1000V的场景，因为其具有更高的热导率，如前文所述。这些高压应用场景包括地铁有轨电车系统和光伏逆变器系统等。然而，从成本角度看，GaN 功率器件的成本显著低于 SiC 器件。国产三代半公司芯干线科技专注于功率半导体GaN HEMT、SiC MOS & SBD等功率器件及模块的研发与销售。产品被广泛应用于消费、光伏、储能、汽车、Ai服务器、工业自动化等能源电力转换与应用领域。