氮化鎵和碳化硅正在爭奪主導地位，它們將減少數十億噸溫室氣體排放。

先進的半導體能減少溫室氣體排放，在遏制氣候變化的斗爭中發揮重要作用嗎？答案是非常肯定的。這種變化實際上正在發生。


取代硅器件，氮化鎵和碳化硅不分上下

大約從2001年開始，化合物半導體氮化鎵引發了一場照明革命，從某些方面來看，這是人類歷史上最快的技術變革。根據國際能源署的一項研究，僅在短短20年內，氮化鎵（GaN）基發光二極管在全球照明市場上的份額從就零增加到了50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近預測，未來7年，LED照明將使得全球照明用電減少30%至40%。根據聯合國環境署的數據，照明約占全球電力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。

這場革命還遠未結束。事實上，它即將躍上一個新臺階。正是氮化鎵改變了照明行業的半導體技術，為加速電力電子革命貢獻了力量。在龐大且重要的電力電子產品類別中，有兩種半導體正在逐漸取代硅基電子產品，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于它們正在取代的硅器件。全世界有數十億個這樣的器件，其中許多每天運行數小時，可節省大量能源。與用氮化鎵LED取代白熾燈和其他傳統照明設備相比，氮化鎵和碳化硅電力電子產品的興起，最終將對地球氣候產生更大的積極影響。

事實上，凡是需要交流電與直流電轉換的地方，電力的浪費都會減少。手機和筆記本電腦的插座充電器、電動汽車充電的大型充電器和逆變器等都有這種轉換。其他硅產品轉換為新型半導體，類似的節約效應也將得到體現。這些新興半導體在無線基站放大器等很多應用中都有明顯優勢，應用范圍不斷擴大。在減緩氣候變化方面，消除電力浪費是比較容易實現的，而這些半導體就是我們實現這一目標的途徑。

這是科技史上一種常見模式的新實例：兩項相互競爭的創新在同一時間成熟。這將如何分出勝負呢？碳化硅將在哪些應用中占據主導地位，而氮化鎵又將在哪些應用中流行？


第三代半導體的共同點和區別

碳化硅和氮化鎵將大大減少溫室氣體排放。根據氮化鎵器件公司Transphorm對公開數據的分析，到2041年，僅在美國和印度，基于氮化鎵的技術就可以減少超過10億噸的溫室氣體。該結論所基于的數據來自國際能源署、Statista等。該分析還表明，這兩個國家在2041年將節省1400太瓦時的能源，約相當于預計能源消耗量的10%到15%。

功率晶體管的特性幾乎完全決定了脈寬調制電路的性能，因此也決定了調節電壓控制器的效率。理想的功率晶體管在關斷狀態下，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“高擊穿場強”，它表明半導體能夠承受多大的電壓。另一方面，當它處于導通狀態時，這種理想晶體管對電流流動的阻礙很小。這一特性源于半導體晶格中電荷（電子和空穴）的高遷移率。我們可以把擊穿場強和電荷遷移率想象成功率半導體的陰陽兩極。

與被取代的硅半導體相比，氮化鎵和碳化硅更接近這個理想狀態。首先來看一下擊穿場強。氮化鎵和碳化硅都屬于寬帶隙半導體。半導體的帶隙被定義為半導體晶格中的電子從價帶躍遷到導帶所需的能量，單位為電子伏特。價帶中的電子在晶格中參與原子鍵合，而導帶中的電子在晶格中可以自由移動，形成導電。

在具有寬帶隙的半導體中，原子之間鍵的聯結力很強，該材料通常能夠承受相對較高的電壓，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。對于最常見類型的碳化硅，帶隙為3.26電子伏特。

現在再看看遷移率，它的單位是平方厘米/伏秒（cm2/V?s）。遷移率和電場的乘積為電子的速度，對于給定數量的移動電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對于硅，這個數字是1450；對于碳化硅，大約是950；而對于氮化鎵來說，大約是2000。正是因為氮化鎵的數值非同尋常地高，它不僅可應用于電源轉換，還可用于微波放大器。氮化鎵晶體管可以放大頻率高達100千兆赫的信號，比通常認為的硅橫向擴散金屬氧化物半導體的最高頻率（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。這個最高的5G頻段還沒有得到廣泛使用；然而，高達75千兆赫的頻率正被部署在碟形天線間通信中，研究人員現在正在研究高達140千兆赫的頻率，將其用于室內通信。對帶寬的需求永不滿足。

這些性能數據很重要，但它們不是在任何特定應用中比較氮化鎵和碳化硅的唯一標準。其他關鍵因素還有器件及其集成系統的易用性和成本。這些因素共同說明了每一類半導體在哪里開始取代硅，以及取代的原因對于未來的競爭結果，它們也提供了強有力的線索。

碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的一大優勢是與傳統硅金屬氧化物半導體場效應晶體管相似，甚至封裝也一樣。碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的工作方式與普通硅金屬氧化物半導體場效應晶體管基本相同，有一個源極、一個柵極和一個漏極。當設備開啟時，電子從重摻雜n型源極流過輕摻雜體區，然后通過導電基板“漏出”。這種相似性意味著轉換到碳化硅時，工程師只需要曲度很小的學習曲線。

與氮化鎵相比，碳化硅具有其他優勢。碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管本質上屬于“故障時自動開路”設備，這意味著若控制電路因任何原因發生故障，晶體管將停止傳導電流。這是一個重要的功能，因為這個特性極大地消除了故障導致短路和火災或爆炸的可能性。（然而，這個功能的代價是電子遷移率較低，增大了設備開啟時的電阻。）

氮化鎵有自己的獨特優勢。2000年，半導體首次在發光二極管和半導體激光器市場上立足。它是第一種能夠可靠地發出明亮的綠色、藍色、紫色和紫外光的半導體。但早在光電子學取得這項商業突破之前，我和其他研究人員就已經演示了氮化鎵在高功率電子產品上的應用前景。因為填補了高效照明的空白，氮化鎵 LED很快流行起來。

氮化鎵的主要優勢在于其極高的電子遷移率。電流，即電荷的流動，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，是因為在該器件中大部分電流的流動是由于電子速度而不是電荷濃度。在實踐中，這意味著與硅或碳化硅相比，打開或關閉器件時需要較少的電荷流入設備，進而減少了每個開關周期所需的能量，可提高效率。

同時，氮化鎵的高電子遷移率可以實現50伏/納秒的開關速度。這一特性意味著基于氮化鎵晶體管的電源轉換器可以在數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。

綜合來看，高效率和高頻率使得基于氮化鎵器件的電源轉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。


初期二者不會干涉

氮化鎵和碳化硅器件，目前的實際應用中也是分工比較明確，互不干涉

在高頻應用中，氮化鎵的性能其實還是比碳化硅優秀，以英飛凌的3kw電源應用中氮化鎵和碳化硅的開關效率的對比圖為例：

實際上在開關頻率超過200K之后，碳化硅的開關效率就會明顯下降，在達到目前主流的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。

在高溫高壓應用，氮化鎵是不如碳化硅的，所以對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，氮化鎵主流應用在這個耐壓值以下的消費市場，而碳化硅基本都在這個耐壓值以上的高價值市場。

所以碳化硅悶聲發大財的地方，就是在碳化硅MOS管在各種高壓領域已經開始替代IGBT，我們知道IGBT的開關頻率非常的低，一般在10K左右，而一些在工作在高壓的應用，例如新能源車的電機，風電光電儲能這些現在跟碳中和相關的熱門應用中。

碳化硅的相對IGBT的高頻開關性能會帶來非常大的性能提升，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的開關損耗的降低以及因為使用高頻開關帶來的周邊器件的重量減輕，綜合算下來能夠增加 5-10%續航里程。

那這兩種器件的未來如何呢？

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

計劃于 2022 年第四季度提供用于客戶評估的器件產品樣品。這一舉措意義重大，因為全球有多個 1200V 垂直 GaN 項目，歐洲的 imec 和 Bosch 致力于該技術，而中國的 Enkris 生產適用于此類的 300mm 外延片設備。

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

它表示已獲得三個客戶的承諾，以評估這些第一代產品樣品。它正在研究產品樣品的進一步客戶參與。

“Odyssey 實現 1200 伏垂直 GaN 功率器件這一里程碑的重要性怎么強調都不為過，”Odyssey 首席執行官 Mark Davidson 說。“我們正在從工藝和材料研發到以橫向 GaN 實際無法達到的電壓提供產品，而經濟性硅和碳化硅無法達到。對于相同的應用，我們的垂直 GaN 產品將提供比碳化硅晶體管小近 10 倍的高功率轉換效率。”

“我們不只是制造測試結構。我們正在構建客戶需要的產品樣品。隨著客戶全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 將繼續履行新的產品樣品承諾。公司擁有獨特的專業知識和知識產權組合來保護它。通過我們在紐約伊薩卡的自己的鑄造廠，我們可以快速創新并控制我們向客戶供應產品的能力，”他說。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法將提供硅、碳化硅和橫向 GaN 無法提供的更大改進。650 伏是當今更大的市場，預計將以 20% 的復合年增長率增長。1200 伏產品細分市場預計將以 63% 的復合年增長率更快地增長，并將在本十年的下半葉成為更大的市場。

根據收集市場統計數據的法國公司 Yole 的數據，到 2027 年，650 和 1200 伏電力設備市場預計將增長到約 50 億美元，復合年增長率為 40%。