氮化鎵和碳化硅正在爭(zhēng)奪主導(dǎo)地位，它們將減少數(shù)十億噸溫室氣體排放。

先進(jìn)的半導(dǎo)體能減少溫室氣體排放，在遏制氣候變化的斗爭(zhēng)中發(fā)揮重要作用嗎？答案是非常肯定的。這種變化實(shí)際上正在發(fā)生。


取代硅器件，氮化鎵和碳化硅不分上下

大約從2001年開(kāi)始，化合物半導(dǎo)體氮化鎵引發(fā)了一場(chǎng)照明革命，從某些方面來(lái)看，這是人類歷史上最快的技術(shù)變革。根據(jù)國(guó)際能源署的一項(xiàng)研究，僅在短短20年內(nèi)，氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管在全球照明市場(chǎng)上的份額從就零增加到了50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近預(yù)測(cè)，未來(lái)7年，LED照明將使得全球照明用電減少30%至40%。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的數(shù)據(jù)，照明約占全球電力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。

這場(chǎng)革命還遠(yuǎn)未結(jié)束。事實(shí)上，它即將躍上一個(gè)新臺(tái)階。正是氮化鎵改變了照明行業(yè)的半導(dǎo)體技術(shù)，為加速電力電子革命貢獻(xiàn)了力量。在龐大且重要的電力電子產(chǎn)品類別中，有兩種半導(dǎo)體正在逐漸取代硅基電子產(chǎn)品，氮化鎵是其中之一,另一種則是碳化硅（SiC）。

氮化鎵和碳化硅器件的性能和效率均優(yōu)于它們正在取代的硅器件。全世界有數(shù)十億個(gè)這樣的器件，其中許多每天運(yùn)行數(shù)小時(shí)，可節(jié)省大量能源。與用氮化鎵LED取代白熾燈和其他傳統(tǒng)照明設(shè)備相比，氮化鎵和碳化硅電力電子產(chǎn)品的興起，最終將對(duì)地球氣候產(chǎn)生更大的積極影響。

事實(shí)上，凡是需要交流電與直流電轉(zhuǎn)換的地方，電力的浪費(fèi)都會(huì)減少。手機(jī)和筆記本電腦的插座充電器、電動(dòng)汽車充電的大型充電器和逆變器等都有這種轉(zhuǎn)換。其他硅產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為新型半導(dǎo)體，類似的節(jié)約效應(yīng)也將得到體現(xiàn)。這些新興半導(dǎo)體在無(wú)線基站放大器等很多應(yīng)用中都有明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。在減緩氣候變化方面，消除電力浪費(fèi)是比較容易實(shí)現(xiàn)的，而這些半導(dǎo)體就是我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑。

這是科技史上一種常見(jiàn)模式的新實(shí)例：兩項(xiàng)相互競(jìng)爭(zhēng)的創(chuàng)新在同一時(shí)間成熟。這將如何分出勝負(fù)呢？碳化硅將在哪些應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，而氮化鎵又將在哪些應(yīng)用中流行？


第三代半導(dǎo)體的共同點(diǎn)和區(qū)別

碳化硅和氮化鎵將大大減少溫室氣體排放。根據(jù)氮化鎵器件公司Transphorm對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅在美國(guó)和印度，基于氮化鎵的技術(shù)就可以減少超過(guò)10億噸的溫室氣體。該結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際能源署、Statista等。該分析還表明，這兩個(gè)國(guó)家在2041年將節(jié)省1400太瓦時(shí)的能源，約相當(dāng)于預(yù)計(jì)能源消耗量的10%到15%。

功率晶體管的特性幾乎完全決定了脈寬調(diào)制電路的性能，因此也決定了調(diào)節(jié)電壓控制器的效率。理想的功率晶體管在關(guān)斷狀態(tài)下，即使施加的電壓很高，也能夠完全阻斷電流。這一特性被稱為“高擊穿場(chǎng)強(qiáng)”，它表明半導(dǎo)體能夠承受多大的電壓。另一方面，當(dāng)它處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，這種理想晶體管對(duì)電流流動(dòng)的阻礙很小。這一特性源于半導(dǎo)體晶格中電荷（電子和空穴）的高遷移率。我們可以把擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電荷遷移率想象成功率半導(dǎo)體的陰陽(yáng)兩極。

與被取代的硅半導(dǎo)體相比，氮化鎵和碳化硅更接近這個(gè)理想狀態(tài)。首先來(lái)看一下?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)。氮化鎵和碳化硅都屬于寬帶隙半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的帶隙被定義為半導(dǎo)體晶格中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，單位為電子伏特。價(jià)帶中的電子在晶格中參與原子鍵合，而導(dǎo)帶中的電子在晶格中可以自由移動(dòng)，形成導(dǎo)電。

在具有寬帶隙的半導(dǎo)體中，原子之間鍵的聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，該材料通常能夠承受相對(duì)較高的電壓，直至鍵斷裂，晶體管被稱為擊穿。硅的帶隙是1.12電子伏特，相比之下，氮化鎵的帶隙是3.40電子伏特。對(duì)于最常見(jiàn)類型的碳化硅，帶隙為3.26電子伏特。

現(xiàn)在再看看遷移率，它的單位是平方厘米/伏秒（cm2/V?s）。遷移率和電場(chǎng)的乘積為電子的速度，對(duì)于給定數(shù)量的移動(dòng)電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對(duì)于硅，這個(gè)數(shù)字是1450；對(duì)于碳化硅，大約是950；而對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō)，大約是2000。正是因?yàn)榈壍臄?shù)值非同尋常地高，它不僅可應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換，還可用于微波放大器。氮化鎵晶體管可以放大頻率高達(dá)100千兆赫的信號(hào)，比通常認(rèn)為的硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體的最高頻率（3至4千兆赫）還要高。作為參考，5G的毫米波頻率最高為52.6千兆赫。這個(gè)最高的5G頻段還沒(méi)有得到廣泛使用；然而，高達(dá)75千兆赫的頻率正被部署在碟形天線間通信中，研究人員現(xiàn)在正在研究高達(dá)140千兆赫的頻率，將其用于室內(nèi)通信。對(duì)帶寬的需求永不滿足。

這些性能數(shù)據(jù)很重要，但它們不是在任何特定應(yīng)用中比較氮化鎵和碳化硅的唯一標(biāo)準(zhǔn)。其他關(guān)鍵因素還有器件及其集成系統(tǒng)的易用性和成本。這些因素共同說(shuō)明了每一類半導(dǎo)體在哪里開(kāi)始取代硅，以及取代的原因?qū)τ谖磥?lái)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果，它們也提供了強(qiáng)有力的線索。

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一大優(yōu)勢(shì)是與傳統(tǒng)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管相似，甚至封裝也一樣。碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作方式與普通硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本相同，有一個(gè)源極、一個(gè)柵極和一個(gè)漏極。當(dāng)設(shè)備開(kāi)啟時(shí)，電子從重?fù)诫sn型源極流過(guò)輕摻雜體區(qū)，然后通過(guò)導(dǎo)電基板“漏出”。這種相似性意味著轉(zhuǎn)換到碳化硅時(shí)，工程師只需要曲度很小的學(xué)習(xí)曲線。

與氮化鎵相比，碳化硅具有其他優(yōu)勢(shì)。碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管本質(zhì)上屬于“故障時(shí)自動(dòng)開(kāi)路”設(shè)備，這意味著若控制電路因任何原因發(fā)生故障，晶體管將停止傳導(dǎo)電流。這是一個(gè)重要的功能，因?yàn)檫@個(gè)特性極大地消除了故障導(dǎo)致短路和火災(zāi)或爆炸的可能性。（然而，這個(gè)功能的代價(jià)是電子遷移率較低，增大了設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的電阻。）

氮化鎵有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。2000年，半導(dǎo)體首次在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)上立足。它是第一種能夠可靠地發(fā)出明亮的綠色、藍(lán)色、紫色和紫外光的半導(dǎo)體。但早在光電子學(xué)取得這項(xiàng)商業(yè)突破之前，我和其他研究人員就已經(jīng)演示了氮化鎵在高功率電子產(chǎn)品上的應(yīng)用前景。因?yàn)樘钛a(bǔ)了高效照明的空白，氮化鎵 LED很快流行起來(lái)。

氮化鎵的主要優(yōu)勢(shì)在于其極高的電子遷移率。電流，即電荷的流動(dòng)，等于電荷的濃度乘以其速度。所以，如果濃度高或速度快或兩者皆有，就可以得到高電流。氮化鎵晶體管之所以不同尋常，是因?yàn)樵谠撈骷写蟛糠蛛娏鞯牧鲃?dòng)是由于電子速度而不是電荷濃度。在實(shí)踐中，這意味著與硅或碳化硅相比，打開(kāi)或關(guān)閉器件時(shí)需要較少的電荷流入設(shè)備，進(jìn)而減少了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量，可提高效率。

同時(shí)，氮化鎵的高電子遷移率可以實(shí)現(xiàn)50伏/納秒的開(kāi)關(guān)速度。這一特性意味著基于氮化鎵晶體管的電源轉(zhuǎn)換器可以在數(shù)百千赫的頻率下高效工作，而硅或碳化硅的工作頻率在100千赫。

綜合來(lái)看，高效率和高頻率使得基于氮化鎵器件的電源轉(zhuǎn)換器可以變得非常小且輕：高效率意味著更小的散熱器，并且在高頻下工作意味著電感器和電容器也可以非常小。


初期二者不會(huì)干涉

氮化鎵和碳化硅器件，目前的實(shí)際應(yīng)用中也是分工比較明確，互不干涉

在高頻應(yīng)用中，氮化鎵的性能其實(shí)還是比碳化硅優(yōu)秀，以英飛凌的3kw電源應(yīng)用中氮化鎵和碳化硅的開(kāi)關(guān)效率的對(duì)比圖為例：

實(shí)際上在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)200K之后，碳化硅的開(kāi)關(guān)效率就會(huì)明顯下降，在達(dá)到目前主流的500K的氮化鎵電源的頻率下，碳化硅的效率就會(huì)下降1%，如果是大功率電源，這百分之一的效率可是非常大的差距。

在高溫高壓應(yīng)用，氮化鎵是不如碳化硅的，所以對(duì)比市面上的碳化硅和氮化鎵功率管，基本都是以600-800V耐壓為分界線，氮化鎵主流應(yīng)用在這個(gè)耐壓值以下的消費(fèi)市場(chǎng)，而碳化硅基本都在這個(gè)耐壓值以上的高價(jià)值市場(chǎng)。

所以碳化硅悶聲發(fā)大財(cái)?shù)牡胤剑褪窃谔蓟鐼OS管在各種高壓領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始替代IGBT，我們知道IGBT的開(kāi)關(guān)頻率非常的低，一般在10K左右，而一些在工作在高壓的應(yīng)用，例如新能源車的電機(jī)，風(fēng)電光電儲(chǔ)能這些現(xiàn)在跟碳中和相關(guān)的熱門應(yīng)用中。

碳化硅的相對(duì)IGBT的高頻開(kāi)關(guān)性能會(huì)帶來(lái)非常大的性能提升，例如新能源車如果使用碳化硅器件，碳化硅的高頻特性帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗的降低以及因?yàn)槭褂酶哳l開(kāi)關(guān)帶來(lái)的周邊器件的重量減輕，綜合算下來(lái)能夠增加 5-10%續(xù)航里程。

那這兩種器件的未來(lái)如何呢？

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美國(guó)制造工作電壓為 650V 和 1200V 的垂直氮化鎵 (GaN) FET 晶體管樣品。

計(jì)劃于 2022 年第四季度提供用于客戶評(píng)估的器件產(chǎn)品樣品。這一舉措意義重大，因?yàn)槿蛴卸鄠€(gè) 1200V 垂直 GaN 項(xiàng)目，歐洲的 imec 和 Bosch 致力于該技術(shù)，而中國(guó)的 Enkris 生產(chǎn)適用于此類的 300mm 外延片設(shè)備。

該公司表示，垂直結(jié)構(gòu)將為 650 和 1200 伏器件提供更低的導(dǎo)通電阻和更高的品質(zhì)因數(shù)，其導(dǎo)通電阻僅為碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作頻率明顯更高。

它表示已獲得三個(gè)客戶的承諾，以評(píng)估這些第一代產(chǎn)品樣品。它正在研究產(chǎn)品樣品的進(jìn)一步客戶參與。

“Odyssey 實(shí)現(xiàn) 1200 伏垂直 GaN 功率器件這一里程碑的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說(shuō)。“我們正在從工藝和材料研發(fā)到以橫向 GaN 實(shí)際無(wú)法達(dá)到的電壓提供產(chǎn)品，而經(jīng)濟(jì)性硅和碳化硅無(wú)法達(dá)到。對(duì)于相同的應(yīng)用，我們的垂直 GaN 產(chǎn)品將提供比碳化硅晶體管小近 10 倍的高功率轉(zhuǎn)換效率。”

“我們不只是制造測(cè)試結(jié)構(gòu)。我們正在構(gòu)建客戶需要的產(chǎn)品樣品。隨著客戶全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 將繼續(xù)履行新的產(chǎn)品樣品承諾。公司擁有獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)組合來(lái)保護(hù)它。通過(guò)我們?cè)诩~約伊薩卡的自己的鑄造廠，我們可以快速創(chuàng)新并控制我們向客戶供應(yīng)產(chǎn)品的能力，”他說(shuō)。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法將提供硅、碳化硅和橫向 GaN 無(wú)法提供的更大改進(jìn)。650 伏是當(dāng)今更大的市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將以 20% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。1200 伏產(chǎn)品細(xì)分市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以 63% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率更快地增長(zhǎng)，并將在本十年的下半葉成為更大的市場(chǎng)。

根據(jù)收集市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的法國(guó)公司 Yole 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，650 和 1200 伏電力設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到約 50 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 40%。