氮化鎵和碳化硅爭奪綠色技術主導地位

無論哪一方獲勝，它都將減少數十億噸溫室氣體排放。

能否將溫室氣體排放減少到足以減緩氣候變化的程度？答案是肯定的。事實上，這樣的改變正在有條不紊地進行著。

從2001年左右開始，化合物半導體氮化鎵（GaN）掀起一場照明技術革命。從某些方面看，這是人類歷史上最快的技術變革。根據國際能源署（IEA）的一項研究，短短20年間，基于氮化鎵的發光二極管（LED）在全球照明市場中的份額已從零增長至超過50%。情報咨詢公司莫多情報最近預測，LED照明會在未來7年內，將全球照明用電量減少30%～40%。根據聯合國環境規劃署（UNEP）的數據，照明約占全球用電量的20%和二氧化碳排放量的6%。

這場革命才剛開始，未來很快就會躍升至更高的層次。氮化鎵不僅僅是一項改變照明行業的半導體技術，也是電力電子領域的顛覆性力量——該領域的變革也正蓄勢待發！氮化鎵和碳化硅（SiC），這兩種半導體已經開始取代硅基電子產品。

氮化鎵和碳化硅器件比它們正在替代的傳統硅器件性能更好、效率更高。全世界在用的半導體設備總量可謂天文數字，其中相當一部分每天都要運行數小時。因此，升級版器件能省下的能源將無比巨大。相較于氮化鎵LED取代白熾燈等傳統照明所帶來的節能量，氮化鎵和碳化硅電子產品的興起最終將對地球氣候產生更大規模、更積極的影響。

在幾乎所有必須將交流電轉換為直流電或直流轉換為交流電的地方——例如手機和筆記本電腦的插座充電器，或為電動汽車提供動力的更大號充電器和逆變器——新一代半導體都會減少電力浪費。此外，新興半導體在無線基站的功率放大器方面也具備應用優勢。人類正努力應對氣候變化，而氮化鎵和碳化硅半導體即將助我們消除功耗浪費。

這是技術史上常見模式的新范例：兩項相互競爭的創新同時取得成果。那么后續的發展可能是怎樣的呢？SiC和GaN將分別在哪些應用領域占據主導地位？仔細審視這兩種半導體的相對優勢可以為我們提供一些可靠的線索。

為什么電力轉換在氣候計算中很重要

在了解關于半導體的專業知識之前，我們先要探討為什么需要它們。電力轉換無處不在。它遠不止于我們用來給智能手機、平板電腦、筆記本電腦和其他各類小工具供電的小型壁式充電器。

電力轉換是將電力從可用形式轉變為產品執行其功能所需形式的過程。這種轉換總會損失一些能量，而且由于其中一部分產品持續不斷運行，故損失的能量，或者說可通過技術升級節省下的能量是非常巨大的。試想一下：自1980年以來，美國加州的經濟產出猛增，但電力消耗較過去基本持平，保持平穩的最重要原因之一就是冰箱和空調的用電效率在此期間大幅提高。技術進步的一個關鍵因素是使用了基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和其他電子設備的變速驅動器，這大大提高了效率。

碳化硅和氮化鎵的應用會大規模減少排放。根據2007年我與普里米特 ·帕里克（Primit Parikh）共同創立的氮化鎵器件公司Transphorm對公開數據的分析，預計到2041年，僅基于氮化鎵的技術就可以在美國和印度減少超過10億噸的溫室氣體排放（數據來自國際能源署和數據公司Statista等）。分析還表明，可節省下的能源將達到1 400太瓦時（1太瓦＝1012瓦），即美印兩國當年預計能源消耗的10%～15%。

寬帶隙的優勢

與普通晶體管一樣，功率晶體管可用作放大裝置或開關。放大作用的一個重要例子是無線基站，它放大信號以傳輸到智能手機。放眼全球，用于制造這些放大器中的晶體管的半導體，正從被稱為“橫向擴散金屬氧化物半導體”（LDMOS）的硅技術轉向氮化鎵。新技術具備諸多優勢，包括提升10%甚至更高的能效。另一方面，在功率轉換應用中，晶體管充當開關而非放大器。標準技術被稱為脈沖寬度調制。例如，在常見類型的電機控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機轉子上的線圈。這些脈沖建立起一個磁場，與電機定子的磁場相互作用，從而使轉子旋轉。這種旋轉的速度是通過改變脈沖長度來控制的：脈沖為矩形波，脈沖“開”（而非“關”）的時間越長，電機提供的轉速和扭矩就越大。功率晶體管完成通斷開關。

脈寬調制也被用于開關電源，這是最常見的電力轉換案例。開關電源為幾乎所有以直流電驅動的個人電腦、移動設備和電器供電。輸入的交流電壓被轉換為直流，然后直流被“斬波”為高頻交流方波。這種斬波由功率晶體管完成，后者通過打開和關閉直流電來產生方波。方波被施加至變壓器，變壓器改變波幅以產生所需的輸出電壓。為獲得穩定的直流輸出，來自變壓器的電壓會經過整流和濾波。

這里的關鍵在于，功率晶體管的特性幾乎完全決定了電路執行脈寬調制的能力，因此也決定了控制器調節電壓的效率。理想的功率晶體管在處于關斷狀態時會完全阻斷電流，即便施加的電壓很高，情況也是如此。這種特性被稱為高電擊穿場，表明半導體能承受的最大電壓。另一方面，當晶體管處于導通狀態時，它對電流流動的阻力非常小。這一特征源于半導體晶格內電荷（電子和空穴）的高遷移率。我們可以將擊穿場強和電荷遷移率視為功率半導體的陰與陽。

相比于硅半導體，GaN和SiC更接近理想狀態。首先，考慮擊穿場強。GaN和SiC都屬于寬帶隙半導體。半導體的帶隙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，以電子伏特（eV）為單位。價帶內的電子參與晶格內原子的鍵合，而導帶內的電子能在晶格中自由移動并導電。

在具有寬帶隙的半導體中，原子之間的鍵能很強，因此材料通常能在鍵斷裂、晶體管損壞之前承受相對較高的電壓。GaN帶隙達到3.40eV，最常見類型的SiC帶隙為3.26eV，而硅的帶隙只有1.12eV（見寬帶隙器件清單）。

遷移率的單位為cm2/（V·s）。遷移率和電場的乘積產生電子速度，速度越高意味著對于給定數量的移動電荷，它攜帶的電流越大。硅的電子遷移率為1 450cm2/（V·s）；SiC和GaN的遷移率分別是950cm2/（V·s）和2 000cm2/（V·s）。GaN的極高遷移率使其能夠應用于功率轉換和微波放大器。GaN晶體管可放大頻率高達100GHz的信號——遠高于一般情況下硅LDMOS的上限，即3～4GHz。5G信號的毫米波頻率最高可達52.6GHz。當然，這個最高的5G頻段尚未得到廣泛使用，但要知道，高達75GHz的頻率正被部署于碟對碟通信，高達140GHz的頻率正被研究人員用于室內通信。人們對帶寬的需求是永遠不嫌高的。

這些性能數據很重要，但它們并非就任意特定應用比較GaN和SiC的唯一標準。其他關鍵因素包括設備及其集成系統的易用性和成本。總而言之，這些因素可以解釋——GaN和SiC這樣更先進半導體的具體優勢，它們會在何處，因何理由，開始取代硅的地位，以及它們未來的競爭會呈現何種局面 。

當前SiC在電力轉換領域領先GaN， 但是GaN正在升級

2011年，美國科銳公司（Cree，后更名Wolfspeed）推出了第一個商業上可行的、優于硅的SiC晶體管。該產品可阻斷1 200V特電壓，而且傳導電流時有著低至80毫歐姆的電阻。目前市場上有三種不同類型的SiC晶體管：羅姆的溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），英飛凌、安森美、意法、科銳等企業的雙擴散金屬氧化物半導體（DMOS），以及科沃的垂直結場效應晶體管。

SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管的一大優勢是它與傳統硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的相似性。兩者的工作方式基本相同，甚至連封裝都相同。它有源極、柵極和漏極。當器件開啟時，電子從重摻雜的n型源極流過輕摻雜的循環區，然后通過導電襯底“漏出”。這種相似性意味著工程師為吃透并掌握新產品所付出的學習成本很低。

SiC相比GaN有優勢。SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管本質上是“故障旁路”器件，這意味著如果控制電路因任何原因發生故障，晶體管將停止傳導電流。這是一個重要特性，因為它很大程度上消除了故障導致短路和火災/爆炸的可能性。然而，為此功能付出的代價是較低的電子遷移率，這會增加設備開啟時的電阻。

GaN也有自己獨特的優勢。2000年，GaN半導體首次在發光二極管和半導體激光器市場實現商業化。它是第一個能夠可靠地發出明亮綠色、藍色、紫色和紫外光的半導體。但早在光電子學取得商業突破前，我和其他研究人員就已證明了GaN在大功率電力電子器件方面的潛力。氮化鎵LED因填補了高效照明的空白而迅速普及。但用于電子產品的GaN還必須證明自己優于現有技術，尤其是英飛凌用于電子產品的硅晶體管CoolMOS，以及用于射頻電子產品的硅LDMOS和砷化鎵晶體管。

GaN的主要優勢是極高的電子遷移率。電流，電荷之流，等于電荷濃度乘以其移動速度。因此，產生高強度電流的條件，要么是電荷濃度高，要么是電荷移動速度高，要么是二者都高。GaN晶體管之所以獨特，是因為流過它的大部分電流來自電子的高速度而非電荷的高濃度。這在實踐中意味著，相比于Si或SiC，更少的電荷流入設備以實現開啟或關閉，因此每個開關周期所需的能量更少了，效率提高了。另一方面，GaN的高電子遷移率可使開關速度達到每納秒50V。這一特性意味著，基于GaN晶體管的功率轉換器能于數百千赫茲頻率下高效運行，而Si或SiC的功率轉換器頻率約為100kHz。

總體而言，基于GaN器件的功率轉換器因其高效率和高頻率而變得又小又輕：高效率意味著散熱器更小，而在高頻下運行意味著電感器和電容器也可以非常小。

GaN半導體的缺點之一是尚無可靠的絕緣體技術來匹配它。這讓故障安全裝置的設計變得復雜。為求安全，當功率晶體管的控制電路發生故障時，它必須失效，進入開路狀態，無電流流過。這對于GaN器件來說是個挑戰，因為它缺少在高壓阻斷狀態和載流狀態下都可靠的柵極絕緣體材料。所謂的“級聯耗盡模式”會是一種解決方案：使用硅場效應晶體管（FET）上的低電壓信號來控制高電子遷移率的氮化鎵晶體管上大得多的電壓。如果控制電路出現故障，FET柵極上的電壓將降至零，電流傳導也將停止；隨著FET不再傳導電流，GaN晶體管也停止傳導，因為組合器件的漏極和源極間不再存在閉合電路。

有兩種選擇可實現這種常閉特性。一種是為晶體管配備特定柵極：當未向柵極施加電壓時，柵極會移除溝道中的電荷；當且僅當施加正電壓時，柵極才能傳導電流。這些稱為增強模式設備。另一個選項叫作共源共柵。顧名思義，共源共柵極是由共源極和共柵極的級聯形成的結構。它使用獨立、低損耗的硅FET來為GaN晶體管提供故障安全功能。

如果不考慮成本，關于半導體的任何比較都不完整。一個粗略的經驗法則是——芯片尺寸越小，成本就越低。芯片尺寸是指包含器件的集成電路的物理面積。

SiC器件現在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而，SiC的襯底和制造成本大于GaN。而且目前來說，5kW及更高功率應用的最終器件成本一般都相差無幾。未來趨勢可能偏向GaN，因為GaN器件相對簡單，其生產成本有望低到讓人不介意它芯片尺寸更大的程度。

要推動GaN發展，讓它能適用于許多需要高電壓的大功率應用，我們就必須創建額定電壓達到1 200V同時經濟且高效的高性能GaN器件。畢竟，我們已有額定電壓1 200V的可用SiC晶體管。目前，最接近商用的GaN晶體管的額定電壓為900V，由Transphorm公司生產。最近，我們還展示了在藍寶石襯底上制造的1 200V器件，其電性能和熱性能均與SiC器件相當。

英國咨詢公司Omdia預測，到2025年，1 200V碳化硅MOSFET的價格會達到每安培16美分。據我估計，由于GaN襯底的成本較低，2025年第一代1 200V氮化鎵晶體管的價格將低于碳化硅版本。當然，這只是我的看法，我們都知道未來幾年內將發生什么變化。

GaN與SiC的應用

鑒于上述相對優劣勢，我們需要逐一考慮各個應用及其發展。

電動汽車（EV）的逆變器和轉換器 2017年，特斯拉Model 3的車載或牽引逆變器采用了SiC。這是半導體的早期重大勝利。電動汽車的牽引逆變器將電池的直流電轉換為電機的交流電。逆變器還通過改變交流電頻率來控制電機的速度。新聞報道稱，眼下梅賽德斯-奔馳和路西德汽車也在其逆變器中使用了SiC，其他電動汽車制造商計劃在即將推出的車型中使用SiC。SiC由英飛凌、安森美、羅姆、科銳等企業供應。小型電動汽車的牽引逆變器功率通常為35～100kW，大型EV的則可以達到400 kW。

對于GaN設備的供應商來說，要打入這片市場，就必須拿出1 200V的器件。現階段電動汽車的電氣系統通常只能在400V電壓下運行，但保時捷Taycan擁有800V的系統，奧迪、現代和起亞的EV同樣如此。預計未來幾年，其他汽車制造商都將跟隨潮流。希望2025年，我們能看到第一個商用的1 200V氮化鎵晶體管。這些設備不僅會被用于車輛，還將成為高速電動公交車的充電器。

GaN有望實現的更高開關速度，這將是EV逆變器的一個強大優勢，因為此類開關采用了所謂的“硬開關”技術——非常快速地從打開切換到關閉狀態，從而最大限度地減少設備保持高電壓和通過高電流的時間。這種技術提高了逆變器的性能。

除了逆變器，電動汽車通常還配備車載充電器，后者將交流電轉換為直流電，利用壁電流為車輛充電。同樣地，GaN能給我們帶來理想充電器，原因與它能帶來理想逆變器一樣。

電網應用 未來至少十年內，SiC仍將領銜超高壓電力轉換——用于額定電壓3kV或更高的設備——的領域。這方面應用的用途包括穩定電網、轉換交流電為直流電并在傳輸級電壓下再將直流轉換為交流等。

手機、平板和筆記本電腦充電器

從2019年開始，Transphorm、Innoscience等公司開始銷售基于GaN的壁式充電器。氮化鎵設備開關速度快，成本也普遍較低，因此成為低功率（25～500W）市場的主導者。在此類市場中，速度與成本的優勢，以及尺寸小和供應鏈穩健等特點，可以說無比重要。這些早期的GaN功率轉換器具備高達300kHz的開關頻率和超過92%的效率。它們創造了功率密度紀錄——1.83W/cm3。這個數字約為硅基充電器功率密度的2倍。

太陽能微型逆變器 近年來，太陽能發電在電網規模和分布式（家庭）的應用中取得長足發展。每個太陽能發電系統都需要一個逆變器將太陽能電池板的直流電轉換為交流電，為家庭供電或把電能釋放到電網。眼下，電網規模的光伏逆變器是硅IGBT和碳化硅MOSFET的領域。但GaN將開始進軍分布式太陽能市場。

從傳統上說，在分布式光伏系統中，所有太陽能電池板都有一個逆變器盒。但現在我們越發偏好這樣的系統：每個面板都配一個單獨的微型逆變器，在為房屋或電網供電之前，交流電組合到一起。這樣的設置意味著系統能監控每個面板的操作，以優化整體性能。

微型逆變器或傳統逆變器系統對于現代數據中心至關重要。它與電池組合出了一個不會停電的不間斷電源。此外，所有數據中心都使用功率因數校正電路，調整電源的交流波形以提高效率，并消除可能損壞設備的特性。針對上述情況，GaN能提供一種低損耗且經濟的解決方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站 GaN無與倫比的速度和極高的功率密度，最終將幫助它主導微波領域的應用，尤其是5G和6G無線網絡，以及商業和軍用雷達。這里的主要競爭對手是硅LDMOS器件陣列，它們價格便宜但性能更低。事實上，只要來到4GHz及以上的頻率范圍，GaN就沒有真正的對手。

對于5G和6G無線，關鍵參數是帶寬，因為帶寬決定了硬件能有效傳輸多少信息。下一代5G系統將擁有近1GHz的帶寬，可實現超快的視頻傳輸等功能。

使用絕緣體硅（SOI）技術的微波通信系統提供了一種5G+解決方案。方案使用高頻硅器件，其中每個器件的低輸出功率問題都通過大量陣列來克服。GaN和硅將在此領域共存一段時間。系統架構、成本和性能這三者的綜合“成績”，將決定某款應用最終選擇GaN還是硅。

雷達 美國軍方正部署許多基于GaN電子設備的地面雷達系統，其中包括由諾斯洛普 · 格魯曼公司為美國海軍陸戰隊打造的地面/空中任務導向雷達和有源電子掃描陣列雷達。雷神公司的SPY6雷達已交付美國海軍，并于2022年12月進行了首次海上測試。該系統極大擴展了艦載雷達的范圍，提高了靈敏度。

寬帶隙之戰才剛剛開始

如今，SiC是電動汽車逆變器領域的主導者；而在考驗電壓阻斷能力和功率處理能力的應用場景下，SiC也能大顯身手。此外，頻率較低的應用也需要它。GaN是高頻性能應用的首選技術，例如5G和6G基站，以及雷達和高頻功率轉換應用，例如壁插式適配器、微型逆變器和電源。

GaN和SiC之間的拉鋸才剛剛開始。我們可以肯定的是，無論競爭如何發展，地球環境都將因此獲益。隨著技術更替的新周期勢不可擋地發展，未來幾年我們將可以避免數十億噸溫室氣體排放。

資料來源 IEEE Spectrum

本文作者烏梅什 · 米什拉（Umesh" "Mishra）是一位學者和企業家。他是美國電氣與電子工程師協會會員、美國國家工程院院士。2023年3月，他被任命為加州大學圣巴巴拉分校工程學院的下一任院長。他也是Transphorm公司的首席技術官