氮化镓和碳化硅争夺绿色技术主导地位

发布时间：23年07月27日

编译刘迪一

无论哪一方获胜，它都将减少数十亿吨温室气体排放。

乌梅什·米什拉清晰地倒映在氮化镓半导体晶圆上

能否将温室气体排放减少到足以减缓气候变化的程度？答案是肯定的。事实上，这样的改变正在有条不紊地进行着。

从2001年左右开始，化合物半导体氮化镓（GaN）掀起一场照明技术革命。从某些方面看，这是人类历史上最快的技术变革。根据国际能源署（IEA）的一项研究，短短20年间，基于氮化镓的发光二极管（LED）在全球照明市场中的份额已从零增长至超过50%。情报咨询公司莫多情报最近预测，LED照明会在未来7年内，将全球照明用电量减少30%~40%。根据联合国环境规划署（UNEP）的数据，照明约占全球用电量的20%和二氧化碳排放量的6%。

这场革命才刚开始，未来很快就会跃升至更高的层次。氮化镓不仅仅是一项改变照明行业的半导体技术，也是电力电子领域的颠覆性力量——该领域的变革也正蓄势待发！氮化镓和碳化硅（SiC），这两种半导体已经开始取代硅基电子产品。

氮化镓和碳化硅器件比它们正在替代的传统硅器件性能更好、效率更高。全世界在用的半导体设备总量可谓天文数字，其中相当一部分每天都要运行数小时。因此，升级版器件能省下的能源将无比巨大。相较于氮化镓LED取代白炽灯等传统照明所带来的节能量，氮化镓和碳化硅电子产品的兴起最终将对地球气候产生更大规模、更积极的影响。

在几乎所有必须将交流电转换为直流电或直流转换为交流电的地方——例如手机和笔记本电脑的插座充电器，或为电动汽车提供动力的更大号充电器和逆变器——新一代半导体都会减少电力浪费。此外，新兴半导体在无线基站的功率放大器方面也具备应用优势。人类正努力应对气候变化，而氮化镓和碳化硅半导体即将助我们消除功耗浪费。

这是技术史上常见模式的新范例：两项相互竞争的创新同时取得成果。那么后续的发展可能是怎样的呢？SiC和GaN将分别在哪些应用领域占据主导地位？仔细审视这两种半导体的相对优势可以为我们提供一些可靠的线索。

为什么电力转换在气候计算中很重要

在了解关于半导体的专业知识之前，我们先要探讨为什么需要它们。电力转换无处不在。它远不止于我们用来给智能手机、平板电脑、笔记本电脑和其他各类小工具供电的小型壁式充电器。

每个晶圆包含数百个最先进的功率晶体管

电力转换是将电力从可用形式转变为产品执行其功能所需形式的过程。这种转换总会损失一些能量，而且由于其中一部分产品持续不断运行，故损失的能量，或者说可通过技术升级节省下的能量是非常巨大的。试想一下：自1980年以来，美国加州的经济产出猛增，但电力消耗较过去基本持平，保持平稳的最重要原因之一就是冰箱和空调的用电效率在此期间大幅提高。技术进步的一个关键因素是使用了基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和其他电子设备的变速驱动器，这大大提高了效率。

碳化硅和氮化镓的应用会大规模减少排放。根据2007年我与普里米特·帕里克（PrimitParikh）共同创立的氮化镓器件公司Transphorm对公开数据的分析，预计到2041年，仅基于氮化镓的技术就可以在美国和印度减少超过10亿吨的温室气体排放（数据来自国际能源署和数据公司Statista等）。分析还表明，可节省下的能源将达到1400太瓦时（1太瓦＝10¹²瓦），即美印两国当年预计能源消耗的10%~15%。

在高压功率晶体管市场，氮化镓器件占据了400V以下应用的主导地位，而碳化硅则是800V以上应用方面的领先者。2000V以上的市场相对较小。氮化镓器件的继续改良，将令400V到1000V区间的关键格局发生变化。例如，随着1200V氮化镓晶体管推出（预计在2025年），电动汽车逆变器这块最重要的市场将参与竞争

宽带隙的优势

与普通晶体管一样，功率晶体管可用作放大装置或开关。放大作用的一个重要例子是无线基站，它放大信号以传输到智能手机。放眼全球，用于制造这些放大器中的晶体管的半导体，正从被称为“横向扩散金属氧化物半导体”（LDMOS）的硅技术转向氮化镓。新技术具备诸多优势，包括提升10%甚至更高的能效。另一方面，在功率转换应用中，晶体管充当开关而非放大器。标准技术被称为脉冲宽度调制。例如，在常见类型的电机控制器中，直流电脉冲被馈送到安装在电机转子上的线圈。这些脉冲建立起一个磁场，与电机定子的磁场相互作用，从而使转子旋转。这种旋转的速度是通过改变脉冲长度来控制的：脉冲为矩形波，脉冲“开”（而非“关”）的时间越长，电机提供的转速和扭矩就越大。功率晶体管完成通断开关。

脉宽调制也被用于开关电源，这是最常见的电力转换案例。开关电源为几乎所有以直流电驱动的个人电脑、移动设备和电器供电。输入的交流电压被转换为直流，然后直流被“斩波”为高频交流方波。这种斩波由功率晶体管完成，后者通过打开和关闭直流电来产生方波。方波被施加至变压器，变压器改变波幅以产生所需的输出电压。为获得稳定的直流输出，来自变压器的电压会经过整流和滤波。

这里的关键在于，功率晶体管的特性几乎完全决定了电路执行脉宽调制的能力，因此也决定了控制器调节电压的效率。理想的功率晶体管在处于关断状态时会完全阻断电流，即便施加的电压很高，情况也是如此。这种特性被称为高电击穿场，表明半导体能承受的最大电压。另一方面，当晶体管处于导通状态时，它对电流流动的阻力非常小。这一特征源于半导体晶格内电荷（电子和空穴）的高迁移率。我们可以将击穿场强和电荷迁移率视为功率半导体的阴与阳。

运行速度和阻断高压的能力是功率晶体管的两个最重要特性。这两种特性又由用于制造晶体管的半导体材料的关键物理参数决定。速度取决于半导体中电荷的迁移率和速度，而电压阻断能力则取决于材料的带隙和电击穿场强

相比于硅半导体，GaN和SiC更接近理想状态。首先，考虑击穿场强。GaN和SiC都属于宽带隙半导体。半导体的带隙定义为半导体晶格中的电子从价带跃迁到导带所需的能量，以电子伏特（eV）为单位。价带内的电子参与晶格内原子的键合，而导带内的电子能在晶格中自由移动并导电。

在具有宽带隙的半导体中，原子之间的键能很强，因此材料通常能在键断裂、晶体管损坏之前承受相对较高的电压。GaN带隙达到3.40eV，最常见类型的SiC带隙为3.26eV，而硅的带隙只有1.12eV（见宽带隙器件清单）。

迁移率的单位为cm²/（V · s）。迁移率和电场的乘积产生电子速度，速度越高意味着对于给定数量的移动电荷，它携带的电流越大。硅的电子迁移率为1450cm²/（V · s）；SiC和GaN的迁移率分别是950cm²/（V · s）和2000cm²/（V · s）。GaN的极高迁移率使其能够应用于功率转换和微波放大器。GaN晶体管可放大频率高达100GHz的信号——远高于一般情况下硅LDMOS的上限，即3~4GHz。5G信号的毫米波频率最高可达52.6GHz。当然，这个最高的5G频段尚未得到广泛使用，但要知道，高达75GHz的频率正被部署于碟对碟通信，高达140GHz的频率正被研究人员用于室内通信。人们对带宽的需求是永远不嫌高的。

这些性能数据很重要，但它们并非就任意特定应用比较GaN和SiC的唯一标准。其他关键因素包括设备及其集成系统的易用性和成本。总而言之，这些因素可以解释——GaN和SiC这样更先进半导体的具体优势，它们会在何处，因何理由，开始取代硅的地位，以及它们未来的竞争会呈现何种局面。

当前SiC在电力转换领域领先GaN，但是GaN正在升级

2011年，美国科锐公司（Cree，后更名Wolfspeed）推出了第一个商业上可行的、优于硅的SiC晶体管。该产品可阻断1200V特电压，而且传导电流时有着低至80毫欧姆的电阻。目前市场上有三种不同类型的SiC晶体管：罗姆的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），英飞凌、安森美、意法、科锐等企业的双扩散金属氧化物半导体（DMOS），以及科沃的垂直结场效应晶体管。

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管的一大优势是它与传统硅金属氧化物半导体场效应晶体管的相似性。两者的工作方式基本相同，甚至连封装都相同。它有源极、栅极和漏极。当器件开启时，电子从重掺杂的n型源极流过轻掺杂的循环区，然后通过导电衬底“漏出”。这种相似性意味着工程师为吃透并掌握新产品所付出的学习成本很低。

SiC相比GaN有优势。SiC金属氧化物半导体场效应晶体管本质上是“故障旁路”器件，这意味着如果控制电路因任何原因发生故障，晶体管将停止传导电流。这是一个重要特性，因为它很大程度上消除了故障导致短路和火灾/爆炸的可能性。然而，为此功能付出的代价是较低的电子迁移率，这会增加设备开启时的电阻。

GaN也有自己独特的优势。2000年，GaN半导体首次在发光二极管和半导体激光器市场实现商业化。它是第一个能够可靠地发出明亮绿色、蓝色、紫色和紫外光的半导体。但早在光电子学取得商业突破前，我和其他研究人员就已证明了GaN在大功率电力电子器件方面的潜力。氮化镓LED因填补了高效照明的空白而迅速普及。但用于电子产品的GaN还必须证明自己优于现有技术，尤其是英飞凌用于电子产品的硅晶体管CoolMOS，以及用于射频电子产品的硅LDMOS和砷化镓晶体管。

GaN的主要优势是极高的电子迁移率。电流，电荷之流，等于电荷浓度乘以其移动速度。因此，产生高强度电流的条件，要么是电荷浓度高，要么是电荷移动速度高，要么是二者都高。GaN晶体管之所以独特，是因为流过它的大部分电流来自电子的高速度而非电荷的高浓度。这在实践中意味着，相比于Si或SiC，更少的电荷流入设备以实现开启或关闭，因此每个开关周期所需的能量更少了，效率提高了。另一方面，GaN的高电子迁移率可使开关速度达到每纳秒50V. 这一特性意味着，基于GaN晶体管的功率转换器能于数百千赫兹频率下高效运行，而Si或SiC的功率转换器频率约为100kHz。

总体而言，基于GaN器件的功率转换器因其高效率和高频率而变得又小又轻：高效率意味着散热器更小，而在高频下运行意味着电感器和电容器也可以非常小。

GaN半导体的缺点之一是尚无可靠的绝缘体技术来匹配它。这让故障安全装置的设计变得复杂。为求安全，当功率晶体管的控制电路发生故障时，它必须失效，进入开路状态，无电流流过。这对于GaN器件来说是个挑战，因为它缺少在高压阻断状态和载流状态下都可靠的栅极绝缘体材料。所谓的“级联耗尽模式”会是一种解决方案：使用硅场效应晶体管（FET）上的低电压信号来控制高电子迁移率的氮化镓晶体管上大得多的电压。如果控制电路出现故障，FET栅极上的电压将降至零，电流传导也将停止；随着FET不再传导电流，GaN晶体管也停止传导，因为组合器件的漏极和源极间不再存在闭合电路。

有两种选择可实现这种常闭特性。一种是为晶体管配备特定栅极：当未向栅极施加电压时，栅极会移除沟道中的电荷；当且仅当施加正电压时，栅极才能传导电流。这些称为增强模式设备。另一个选项叫作共源共栅。顾名思义，共源共栅极是由共源极和共栅极的级联形成的结构。它使用独立、低损耗的硅FET来为GaN晶体管提供故障安全功能。

如果不考虑成本，关于半导体的任何比较都不完整。一个粗略的经验法则是——芯片尺寸越小，成本就越低。芯片尺寸是指包含器件的集成电路的物理面积。

SiC器件现在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而，SiC的衬底和制造成本大于GaN. 而且目前来说，5kW及更高功率应用的最终器件成本一般都相差无几。未来趋势可能偏向GaN，因为GaN器件相对简单，其生产成本有望低到让人不介意它芯片尺寸更大的程度。

要推动GaN发展，让它能适用于许多需要高电压的大功率应用，我们就必须创建额定电压达到1200V同时经济且高效的高性能GaN器件。毕竟，我们已有额定电压1200V的可用SiC晶体管。目前，最接近商用的GaN晶体管的额定电压为900V，由Transphorm公司生产。最近，我们还展示了在蓝宝石衬底上制造的1200V器件，其电性能和热性能均与SiC器件相当。

英国咨询公司Omdia预测，到2025年，1200V碳化硅MOSFET的价格会达到每安培16美分。据我估计，由于GaN衬底的成本较低，2025年第一代1200V氮化镓晶体管的价格将低于碳化硅版本。当然，这只是我的看法，我们都知道未来几年内将发生什么变化。

GaN与SiC的应用

鉴于上述相对优劣势，我们需要逐一考虑各个应用及其发展。

电动汽车（EV）的逆变器和转换器2017年，特斯拉Model3的车载或牵引逆变器采用了SiC. 这是半导体的早期重大胜利。电动汽车的牵引逆变器将电池的直流电转换为电机的交流电。逆变器还通过改变交流电频率来控制电机的速度。新闻报道称，眼下梅赛德斯-奔驰和路西德汽车也在其逆变器中使用了SiC，其他电动汽车制造商计划在即将推出的车型中使用SiC. SiC由英飞凌、安森美、罗姆、科锐等企业供应。小型电动汽车的牵引逆变器功率通常为35～100kW，大型EV的则可以达到400 kW.

对于GaN设备的供应商来说，要打入这片市场，就必须拿出1200V的器件。现阶段电动汽车的电气系统通常只能在400V电压下运行，但保时捷Taycan拥有800V的系统，奥迪、现代和起亚的EV同样如此。预计未来几年，其他汽车制造商都将跟随潮流。希望2025年，我们能看到第一个商用的1200V氮化镓晶体管。这些设备不仅会被用于车辆，还将成为高速电动公交车的充电器。

GaN有望实现的更高开关速度，这将是EV逆变器的一个强大优势，因为此类开关采用了所谓的“硬开关”技术——非常快速地从打开切换到关闭状态，从而最大限度地减少设备保持高电压和通过高电流的时间。这种技术提高了逆变器的性能。

除了逆变器，电动汽车通常还配备车载充电器，后者将交流电转换为直流电，利用壁电流为车辆充电。同样地，GaN能给我们带来理想充电器，原因与它能带来理想逆变器一样。

电网应用未来至少十年内，SiC仍将领衔超高压电力转换——用于额定电压3kV或更高的设备——的领域。这方面应用的用途包括稳定电网、转换交流电为直流电并在传输级电压下再将直流转换为交流等。

手机、平板和笔记本电脑充电器从2019年开始，Transphorm、Innoscience等公司开始销售基于GaN的壁式充电器。氮化镓设备开关速度快，成本也普遍较低，因此成为低功率（25~500W）市场的主导者。在此类市场中，速度与成本的优势，以及尺寸小和供应链稳健等特点，可以说无比重要。这些早期的GaN功率转换器具备高达300kHz的开关频率和超过92%的效率。它们创造了功率密度纪录——1.83W/cm³。这个数字约为硅基充电器功率密度的2倍。

太阳能微型逆变器近年来，太阳能发电在电网规模和分布式（家庭）的应用中取得长足发展。每个太阳能发电系统都需要一个逆变器将太阳能电池板的直流电转换为交流电，为家庭供电或把电能释放到电网。眼下，电网规模的光伏逆变器是硅IGBT和碳化硅MOSFET的领域。但GaN将开始进军分布式太阳能市场。