同是功率器件，为什么SiC主要是MOSFET，GaN却是HEMT

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在我们谈论第三代半导体的时候，常说的碳化硅功率器件一般是指代SiC MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管），而氮化镓功率器件最普遍的则是GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）。为什么同是第三代半导体材料，SiC和GaN在功率器件上走了不同的道路？为什么没有GaN MOSFET产品？下面我们来简单分析一下。
 
GaN和SiC功率器件的衬底材料区别
 
首先我们从衬底材料来看看SiC和GaN功率器件的区别，一般而言，SiC功率器件是在SiC衬底上生长一层SiC同质外延层，再在外延层上进行光刻和刻蚀等工序后形成器件。其中衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用；而在衬底上生长出同质或异质晶体外延层的薄片，就叫外延片，器件有时候制作在外延片的外延层上，也有时候制作在外延片的衬底上（此时外延层起到支撑作用）。
 
而GaN功率器件理论上可以由同质或异质外延片制作而成，其中又以同质外延最佳。这是因为异质外延由于晶格失配等问题，当衬底和外延材料不同时，容易产生缺陷和位错，因此无论是SiC还是GaN，同质外延片都是制作功率器件的最好方案。
 
然而GaN衬底的制作方式复杂，目前主流的制作方式是先在蓝宝石衬底上生长出GaN厚膜，分离后的GaN厚膜再作为外延用的衬底，所以成本极高。据某国内GaN器件厂商透露，目前2英寸的GaN衬底价格高达1.5万元人民币，而8英寸硅外延片的市场价不到300元，对比可以知道目前GaN衬底价格之高，是难以用于制造功率器件的。
 
于是退而求其次，SiC与GaN的晶格匹配度相对较高，也就是晶格失配较小，所以使用SiC衬底也是一些GaN射频器件所选择的方向。当然，SiC衬底也并不便宜，因此，主流的GaN功率器件，也就采用了Si作为衬底。
 
Si作为最基础的半导体材料，当它用作GaN外延的衬底时也有不少优点，比如成本低、晶体质量高、尺寸大、导电性、导热性好，热稳定性好等。        
 
不过，由于Si和GaN之间的热失配和晶格失配很大，这种低适配性导致Si衬底上无法直接长GaN外延层，需要长出多道缓冲层（AlN氮化铝）来过渡，因此外延层质量水平就比SiC基差不少，良率也较低，仅约为60%。
 
所以硅基GaN此前只能用来做小功率射频、功率器件，特别是在消费电子快充产品中得到广泛应用有替代Si MOSFET的趋势。而目前随着工艺的进步，已经有企业将GaN HEMT做到1200V耐压，而高压应用也将大大拓展GaN的应用领域。
 
为什么GaN功率器件主要是HEMT
 
上一部分我们了解到GaN同质外延由于价格太高，所以目前的GaN功率器件主要是Si或SiC衬底，但实际上这个部分也一定程度上解释了为什么GaN 目前主要的功率器件是HEMT而不是MOSFET。
 
因为MOSFET是在衬底上制作的，需要在衬底上形成MOSFET器件的部分结构，但由于GaN功率器件主要是基于异质外延片，为了避免晶格失配导致的缺陷等，需要长出多层缓冲层，而缓冲层是绝缘的，所以不适合做MOSFET器件。而GaN HEMT结构上是采用类似PN结的异质结产生的电子气导电，基本上可以理解为平面结构，所以工艺上较容易实现。
 
当然GaN MOSFET目前也有一些公司在开发，不过总体而言目前还处于研发阶段。据业内人士介绍，要实现GaN MOSFET有四个关键点包括一个漏电低的栅介质层；一个可以由栅压控制开启和关断的形成在衬底半导体上的MOS沟道；—个可以与MOS沟道连通的源漏有源区及低接触电阻的源漏欧姆接触电极；一个界面态密度较低的MOS界面。
 
写在最后：
 
受限于水平，本文主要从衬底和器件结构的角度讨论了GaN功率器件目前主要是HEMT的原因。如对相关问题有专业见解，或者是文章内容有错误之处，欢迎留言友好讨论。