碳化硅上的氮化镓还是硅上的氮化镓？

最终用户对数据有着贪婪的胃口，这已经不是什么秘密了。根据思科的年度视觉网络指数，从今天到 2022 年，全球年度 IP 流量预计将增加两倍以上，到 4 年达到每年 8.2022 ZB，从 1 年的 5.2017 ZB。到2022年，来自无线和移动设备的流量将占总数的71%，每年达到惊人的3.41泽字节。

为了提供满足不断增长的需求所需的带宽，无线行业正在全力以赴地从今天的4G网络向5G迈进。与此同时，电信运营商专注于提供最佳的客户体验，同时控制资本和运营支出。因此，它们需要能够提供性能、效率和价值的基础设施和技术。5G承诺更大的带宽和更低的延迟，但运行在比传统蜂窝网络更高的频段，这使得实现这些目标成为技术和运营方面的挑战。

下一代无线基站（包括宏基站和小型蜂窝）需要采用能够满足这些性能、效率和价值要求的技术，氮化镓 （GaN） 已成为一个至关重要的组成部分。然而，在评估氮化镓解决方案时，出现了一个常见的争论：对于射频应用，硅（Si）上的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）上的氮化镓（GaN）哪个更好？

虽然每种方法都有其优点，但“基础设施设计师选择提供最佳整体价值的解决方案，”Wolfspeed的联合创始人兼首席技术官John Palmour说。“与碳化硅相比，硅是一种相对便宜的衬底，但也有一些明显的缺点。与硅相比，SiC器件可降低系统成本并改善性能，正因为如此，SiC上的GaN被证明具有最佳的整体价值。

SiC上的GaN（一种宽带隙技术）有几个关键特性，共同使其成为电信和无线行业的最佳选择：

导热

SiC上的GaN的主要优点是其导热性优势。SiC上的GaN的导热性是Si上的GaN的三倍，允许器件在更高的电压和更高的功率密度下运行。Palmour解释说：“如果射频设备每平方厘米输出高瓦特，你也必须每平方厘米耗散高瓦特。导热性越好，就越容易排出热量。碳化硅具有很高的导热性，比硅好得多。

完美（材料）匹配

GaN和SiC是晶格匹配的，这意味着外延层之间的晶格结构允许在不改变SiC衬底材料的晶体结构的情况下形成带隙变化的区域。这样可以降低晶体的缺陷密度，减少泄漏，提高可靠性并创造整体卓越的产品。相比之下，Si上的GaN是一种不匹配的材料系统;Si的晶体结构与GaN不太对齐。为了使GaN在硅上生长，需要更复杂的外延结构来防止晶圆翘曲，从而影响半导体的时间，成本和性能。

晶体缺陷密度决定了可以从晶圆中获得多少“好”器件。硅基氮化镓比碳化硅上的氮化镓提供更少的好器件，因为它具有更高的缺陷密度。Wolfspeed射频产品开发和应用高级总监Simon Wood说，SiC上的GaN可以在比Si上的GaN更高的电场下工作，而且 - 由于衍生出更多好的器件 - SiC芯片上的GaN可以比使用Si上的GaN的GaN芯片小约20%。“我们可以在6英寸晶圆上投入比在硅上GaN更多的瓦特。我们的论点是，弥补了硅的任何价格差异，“他说。

这是针对基站占用空间很重要的5G应用进行设计的一个好处。

效率问题

虽然硅在室温下具有高电阻率，但无线基础设施通常运行“热”。在高温下，硅是导电的，并且会发生与基板的RF耦合。当它被冷却时，GaN会比硅衬底收缩得更多。这样，基板的一些RF功率就会损失，从而降低了效率。由于其与GaN的紧密匹配，SiC上的GaN不会受到这些相同的温度变化问题的影响。

此外，在硅上生长GaN外延的成本高于在碳化硅上生长GaN外延的成本。这使得SiC上的GaN比Si上的GaN具有显着的效率和成本优势。

了解生命周期总成本

最后，对于构建网络以支持不断增长的数据需求的服务提供商来说，这一切都与生命周期成本有关——千瓦时和他们燃烧的能源。

“硅供应商的GaN说SiC更昂贵，如果你只衡量顶线成本，这可能是真的，”Palmour说。“但从整体价值的角度来看，SiC上的GaN带来的优势使得Si上的GaN和SiC上的GaN在价格上具有可比性，而无可争议的技术优势是SiC上的GaN。

宽带隙半导体

SiC半导体上的GaN属于宽带隙半导体类别，即“允许设备在比硅和砷化镓等传统半导体材料高得多的电压，频率和温度下运行的半导体材料。宽带隙是指更高能量的电子带隙，当电子在两个能级之间切换时，产生半导体作用的能级差异，“根据维基百科。

审核编辑：郭婷