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?。這種變化實際上正在發(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。事實上，它即將躍上一個新臺階。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)十億個這樣的器件，其中許多每天運(yùn)行數(shù)小時，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)都會減少。手機(jī)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(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)是比較容易實現(xiàn)的，而這些半導(dǎo)體就是我們實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑。

這是科技史上一種常見模式的新實例：兩項相互競爭的創(chuàng)新在同一時間成熟。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，這兩個國家在2041年將節(jié)省1400太瓦時的能源，約相當(dāng)于預(yù)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(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，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(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帶躍遷到導(dǎo)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(dǎo)帶中的電子在晶格中可以自由移動，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)量的移動電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對于硅，這個數(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。正是因為氮化鎵的數(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?qū)τ谖磥淼母偁幗Y(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，有一個源極、一個柵極和一個漏極。當(dāng)設(shè)備開啟時，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，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“故障時自動開路”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。這是一個重要的功能，因為這個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，這個功能的代價是電子遷移率較低，增大了設(shè)備開啟時的電阻。）

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。因為填補(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，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(guān)閉器件時需要較少的電荷流入設(shè)備，進(jìn)而減少了每個開關(guān)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(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。


初期二者不會干涉

氮化鎵和碳化硅器件，目前的實際應(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關(guān)效率的對比圖為例：

實際上在開關(guān)頻率超過200K之后，碳化硅的開關(guān)效率就會明顯下降，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)用在這個耐壓值以下的消費(fèi)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(fā)大財?shù)牡胤剑褪窃谔蓟鐼OS管在各種高壓領(lǐng)域已經(jīng)開始替代IGBT，我們知道IGBT的開關(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IGBT的高頻開關(guān)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(guān)損耗的降低以及因為使用高頻開關(guān)帶來的周邊器件的重量減輕，綜合算下來能夠增加 5-10%續(xù)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(chǎn)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(shù)，而中國的 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。

它表示已獲得三個客戶的承諾，以評估這些第一代產(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，”O(jiān)dyssey 首席執(zhí)行官 Mark Davidson 說?！拔覀冋趶墓に嚭筒牧涎邪l(fā)到以橫向 GaN 實際無法達(dá)到的電壓提供產(chǎn)品，而經(jīng)濟(jì)性硅和碳化硅無法達(dá)到。對于相同的應(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?！?/span>

“我們不只是制造測試結(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)知識和知識產(chǎn)權(quán)組合來保護(hù)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(chuàng)新并控制我們向客戶供應(yīng)產(chǎn)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(jìn)。650 伏是當(dāng)今更大的市場，預(yù)計將以 20% 的復(fù)合年增長率增長。1200 伏產(chǎn)品細(xì)分市場預(yù)計將以 63% 的復(fù)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(jù)收集市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)的法國公司 Yole 的數(shù)據(jù)，到 2027 年，650 和 1200 伏電力設(shè)備市場預(yù)計將增長到約 50 億美元，復(fù)合年增長率為 40%。