氮化鎵和碳化硅誰將贏得寬帶隙之戰(zhàn)？

氮化鎵和碳化硅正在爭奪主導(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中發(fā)揮重要作用嗎？答案是非?？隙ǖ摹＿@種變化實(shí)際上正在發(fā)生。

大約從2001年開始，化合物半導(dǎo)體氮化鎵引發(fā)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(shù)變革。根據(jù)國際能源署的一項(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，未來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%。

這場革命還遠(yuǎn)未結(jié)束。事實(shí)上，它即將躍上一個(gè)新臺階。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)體在無線基站放大器等很多應(yīng)用中都有明顯優(yōu)勢，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模式的新實(shí)例：兩項(xiàng)相互競爭的創(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？仔細(xì)觀察這兩種半導(dǎo)體的相對優(yōu)勢，我們可以獲得一些可靠的線索。

在討論半導(dǎo)體之前，我們先考慮一下為什么需要它們。首先：電源轉(zhuǎn)換無處不在。而且它不僅發(fā)生在小型插座充電器內(nèi)，為智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和無數(shù)其他設(shè)備供電。

電源轉(zhuǎn)換，是指將可用電力轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備產(chǎn)品發(fā)揮功能所需的形式。在轉(zhuǎn)換過程中總會(huì)有一些能量損失，因?yàn)橛行╇娮釉O(shè)備是連續(xù)運(yùn)行的，所以節(jié)省的能量將是巨大的。想想看：自1980年以來，即使美國加州的經(jīng)濟(jì)總量飆升，該州的電力消耗也基本保持平穩(wěn)。需求保持平穩(wěn)的最重要的一個(gè)原因是，在此期間冰箱和空調(diào)的效率大幅提高。實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)的最主要因素是使用了基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的無極變速器和其他大幅提高效率的電力電子器件。

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（我作為聯(lián)合創(chuàng)始人在2007年建立）對公開數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅在美國和印度，基于氮化鎵的技術(shù)就可以減少超過10億噸的溫室氣體。該結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)來自國際能源署、Statista等。該分析還表明，這兩個(gè)國家在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%。

像普通晶體管一樣，功率晶體管可以作為放大器或開關(guān)設(shè)備。無線基站將放大信號傳輸給智能手機(jī)，就是放大作用的典型體現(xiàn)。在世界各地，用于制造這些放大器晶體管的半導(dǎo)體正在從一種被稱為“橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體”（LDMOS）的硅技術(shù)轉(zhuǎn)向氮化鎵。這項(xiàng)新技術(shù)有許多優(yōu)勢，例如，根據(jù)頻率的不同，功率效率可提高10%或更多。另一方面，在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，晶體管充當(dāng)?shù)氖情_關(guān)而不是放大器。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被稱為“脈寬調(diào)制”。例如，在普通類型的電機(jī)控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的線圈。這些脈沖建立起一個(gè)磁場，與電機(jī)定子的磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的速度可通過改變脈沖的長度來控制：這些脈沖圖形是方波的，脈沖“開”（而不是“關(guān)”）的時(shí)間越長，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和扭矩就越大。功率晶體管可實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換功能。

脈寬調(diào)制也用于開關(guān)電源，這是功率轉(zhuǎn)換最常見的例子之一。幾乎所有運(yùn)行在直流電上的個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備和電器都使用開關(guān)電源供電?；旧?，輸入的交流電壓被轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后該直流電壓被“剁”成高頻交流方波。“剁”是由功率晶體管完成的，它通過開關(guān)直流電壓產(chǎn)生方波，將方波作用在變壓器上，變壓器改變波的振幅，產(chǎn)生所需的輸出電壓。為了獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出，要對變壓器輸出的電壓進(jìn)行整流和濾波。

這里最重要的一點(diǎn)是，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。我們可以把擊穿場強(qiáng)和電荷遷移率想象成功率半導(dǎo)體的陰陽兩極。

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)。首先來看一下?lián)舸﹫鰪?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(xiàn)在再看看遷移率，它的單位是平方厘米/伏秒（cm2/V?s）。遷移率和電場的乘積為電子的速度，對于給定數(shù)量的移動(dòng)電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對于硅，這個(gè)數(shù)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?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，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。這些因素共同說明了每一類半導(dǎo)體在哪里開始取代硅，以及取代的原因（見下圖“氮化鎵和碳化硅的競爭戰(zhàn)場”）。對于未來的競爭結(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)體場效應(yīng)晶體管的一大優(yōu)勢是與傳統(tǒng)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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)備開啟時(shí)，電子

從重?fù)诫sn型源極流過輕摻雜體區(qū)，然后通過導(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。碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管本質(zhì)上屬于“故障時(shí)自動(dòng)開路”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)備開啟時(shí)的電阻。）

氮化鎵有自己的獨(dú)特優(yōu)勢。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。

氮化鎵的主要優(yōu)勢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。

氮化鎵半導(dǎo)體的一個(gè)缺點(diǎn)是它們還沒有可靠的絕緣技術(shù)。如果控制電路發(fā)生故障，無法自動(dòng)斷路，這增加了設(shè)備故障保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)這種常閉特性。一種是給晶體管配備一個(gè)柵極，當(dāng)沒有電壓施加到柵極時(shí)，這種柵極可以消除溝道中的電荷，只有在向柵極施加正電壓時(shí)才傳導(dǎo)電流。這些被稱為“增強(qiáng)型器件”。

另一種方案被稱為“共源共柵解決方案”。它使用一個(gè)獨(dú)立的低損耗硅場效應(yīng)晶體管為氮化鎵晶體管提供故障保護(hù)功能。

如果不考慮成本，那么對半導(dǎo)體的比較是不完整的。粗略的經(jīng)驗(yàn)法則是，晶粒尺寸越小，成本越低。晶粒尺寸也就是集成電路包含器件的實(shí)際面積。

現(xiàn)在，碳化硅器件的晶粒通常比氮化鎵器件的晶粒更小。然而，碳化硅的基板和制造成本要高于氮化鎵，并且一般來說，用于5千瓦及更高功率的最終器件成本如今沒有太大不同。然而，未來的趨勢很可能有利于氮化鎵。我認(rèn)為氮化鎵器件相對簡單，這意味著生產(chǎn)成本可以足夠低，從而克服晶粒尺寸大的不足。

也就是說，對于許多高電壓、大功率的應(yīng)用，氮化鎵必須是低成本、高性能、額定電壓達(dá)到1200伏的器件。

了解了這些相對優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們再來逐一看看各個(gè)應(yīng)用，并說明未來可能將如何發(fā)展。

電動(dòng)汽車逆變器和轉(zhuǎn)換器：

2017年，特斯拉采用了碳化硅車載或牽引逆變器，這是碳化硅半導(dǎo)體的早期和重大勝利。在電動(dòng)汽車中，牽引逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換成用于電機(jī)的交流電。逆變器還通過改變交變電流的頻率來控制電機(jī)的速度。電動(dòng)汽車牽引逆變器的功率范圍一般在約為35至100千瓦（小型電動(dòng)車）或400千瓦左右（大型電動(dòng)車）。

然而，認(rèn)為碳化硅贏得這場比賽還為時(shí)過早。正如我所提到的，為了打入這個(gè)市場，氮化鎵供應(yīng)商必須提供1200伏的器件。電動(dòng)汽車的電動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)在通常只在400伏下運(yùn)行。我預(yù)計(jì)將在2025年看到第一批商用的1200伏氮化鎵晶體管。這些器件不僅將用于汽車，還將用于公共快速電動(dòng)汽車充電器。

氮化鎵的高速開關(guān)性能將是電動(dòng)汽車逆變器的一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢，因?yàn)檫@些開關(guān)采用了所謂的“硬開關(guān)技術(shù)”。在這里，提高性能的方法是快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，盡可能縮短器件承受高電壓和通過高電流的時(shí)間。

除了逆變器之外，電動(dòng)汽車通常還帶有車載充電器，可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，使車輛能夠用墻上（市電）電流充電。與選擇氮化鎵逆變器的原因相同，在這種場景中，氮化鎵也非常有吸引力。

電網(wǎng)應(yīng)用：

至少在未來十年，額定電壓為3千伏及以上的設(shè)備的超高壓電力轉(zhuǎn)換仍將以碳化硅為主導(dǎo)。這些應(yīng)用包括電網(wǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)、以傳輸級電壓進(jìn)行AC/DC和DC/AC 轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，以及其他用途。

手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦充電器：

從2019年開始，氮化鎵系統(tǒng)、英諾賽科、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基于氮化鎵的墻上充電器。氮化鎵的高開關(guān)速度、通常較低的成本，以及小尺寸和穩(wěn)定的供應(yīng)鏈?zhǔn)蛊涑蔀榈凸β适袌觯?5至500瓦）的主流產(chǎn)品。這些早期氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高達(dá)300千赫，效率超過92%。它們創(chuàng)下的功率密度紀(jì)錄高達(dá)30瓦/立方英寸（1.83瓦/立方厘米），大約是正被在取代的硅基充電器密度的2倍。

太陽能微型逆變器：

近年來，太陽能發(fā)電在電網(wǎng)級和分布式（家庭）應(yīng)用方面取得了成功。安裝太陽能發(fā)電裝置時(shí)都需要一個(gè)逆變器來將太陽能板的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為家庭供電或?qū)㈦娔茚尫诺诫娋W(wǎng)。目前，硅絕緣柵雙極型晶體管和碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管主導(dǎo)著電網(wǎng)級光伏逆變器，但氮化鎵將開始進(jìn)軍分布式太陽能市場。

傳統(tǒng)上，在這些分布式裝置中，所有太陽能板只有一個(gè)逆變器箱。但是越來越多的安裝者喜歡在系統(tǒng)中為每個(gè)面板配一個(gè)單獨(dú)的微型逆變器，在給家里供電或給電網(wǎng)送電之前，先將交流電合并在一起。這種設(shè)置意味著系統(tǒng)可以監(jiān)控每個(gè)面板的運(yùn)行，優(yōu)化整個(gè)陣列的性能。

微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。它們與電池相結(jié)合，構(gòu)成了防止停電的不間斷電源。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，它可以調(diào)整電源的交流波形，提高效率并防止損壞設(shè)備。對于這些，氮化鎵提供了一種低損耗且經(jīng)濟(jì)的解決方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站：

氮化鎵卓越的速度和高功率密度將能夠贏得并最終主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是5G、6G無線以及商用和軍用雷達(dá)。這方面的主要競爭對手是硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體器件陣列，它們價(jià)格較低，但性能不高。事實(shí)上，在4千兆赫及以上的頻率上，氮化鎵沒有真正的競爭對手。

對于5G和6G無線，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因?yàn)樗鼪Q定了硬件能夠有效傳輸?shù)?a target="_blank">信息量。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1千兆赫的帶寬，支持高速視頻和其他應(yīng)用。

使用硅絕緣技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種5G+解決方案，其中使用高頻硅器件陣列解決單個(gè)器件的低輸出功率問題。氮化鎵和硅將在這一領(lǐng)域共存一段時(shí)間。具體應(yīng)用的贏家將由系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能之間的權(quán)衡決定。

當(dāng)下，碳化硅在電動(dòng)汽車逆變器領(lǐng)域，以及電壓阻斷能力和功率處理通常至關(guān)重要且頻率較低的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。對于關(guān)注高頻性能的應(yīng)用，氮化鎵是首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用（如插座適配器、微型逆變器和電源設(shè)備）等。

但氮化鎵和碳化硅的拉鋸戰(zhàn)才剛剛開始。不管競爭如何進(jìn)行，隨著一個(gè)應(yīng)用接一個(gè)應(yīng)用、一個(gè)市場接一個(gè)市場地鋪開，我們可以肯定地說，地球環(huán)境將是贏家。隨著這一新的技術(shù)更新和復(fù)興周期不可阻擋地向前發(fā)展，未來幾年將減少數(shù)十億噸溫室氣體排放。

審核編輯：劉清