如今，氮化镓在哪些方面真正超越了硅？
在需要高开关速度和高效率的应用中，GaN正占据优势，例如DC-DC转换器、电源和射频放大器。一款基于硅衬底的全集成GaN半桥驱动器，在超过1 MHz频率下以200 V输入运行，在降压转换器中实现了90.7%的效率[4]。这远超传统硅MOSFET在该频率下无巨大损耗所能达到的性能。
GaN在降低热阻方面同样表现出色。一种无缓冲层的硅基氮化镓设计，将氮化镓层到衬底的热阻相比传统硅基氮化镓降低了一个数量级，达到11 ± 4 m²·K·GW⁻¹——这是非原生衬底上报道的最低值之一[2]。这意味着器件运行温度更低、寿命更长，且能承受更高功率。
硅在哪些领域仍具优势？
硅材料仍是低压（低于100伏）和低频（低于100千赫）应用的主力，因其成本更低、技术更成熟且拥有庞大的制造基础设施。2022年对91款功率MOSFET的对比研究表明，在400伏以下及100千赫以下的众多应用中，传统硅基MOSFET仍能提供最佳的成本-性能平衡[3]。氮化镓的优势仅在更高电压和频率下才变得至关重要。
即便在大功率领域，氮化镓也并非全面取代硅——它正与碳化硅（SiC）展开正面竞争。在1200V以上的电压场景中，碳化硅目前拥有更成熟的应用记录和更优的导热性能，不过氮化镓正通过垂直器件设计迎头赶上，实现了击穿电压超过1kV且导通电阻极低的突破[1][3]。
氮化镓全面取代硅面临哪些主要挑战？
氮化镓面临若干实际挑战。由于晶格失配和热膨胀系数差异，在硅衬底上生长高质量氮化镓十分困难，这可能导致裂纹和缺陷。2023年的一篇综述指出，氮化镓与硅之间在高温下发生的“回熔刻蚀”以及缓冲层陷阱效应，会引发漏电和电流崩塌问题[6]。这些问题需要采用复杂的缓冲层来解决，但这也增加了成本并提高了热阻。
另一个挑战是极端条件下的可靠性。尽管较新的硅基氮化镓晶体管（EPC7XXX系列）在2022年的测试中展现出优异的抗辐射能力和电学稳定性[7]，但早期产品仍存在动态导通电阻退化的问题。此外，在相同耐压等级下，氮化镓器件的制造成本仍高于硅器件，这限制了其在消费电子等成本敏感型市场中的推广。
本文引用的文献
（特邀）垂直结构氮化镓二极管：生长参数、铟表面活性剂的影响及高功率电子器件开发
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最新GaN-on-Si功率晶体管（EPC7XXX）在硬开关、单粒子效应（SEE）、总电离剂量（TID）及中子测试中展现出优异的抗辐射能力和电气稳定性。