三代半導體之間的巔峰對決

采用氮化鎵的 LED 照明已經大幅減少了全球的用電量，預計十年后節省的電量可能高達 46%。但在電力消耗方面，另一種電子技術可能在減少全球碳排放的關鍵驅動力中發揮更大的價值，那就是電力轉換。

大多數人完全不知道電力轉換技術如何影響他們，但這個過程在全球范圍內每天發生數萬億次，并使從移動電話到電動汽車到醫療和工業系統的任何東西都能正常運行，但由于實現這一過程的電子設備和系統效率低下，每天都會浪費大量地球能源。

GaN 和 SiC 都屬于一類稱為寬帶隙半導體的器件。半導體的帶隙定義為電子從價帶躍遷到導帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價帶只是電子占據的任何特定材料的原子的最外層電子軌道。

價帶的最高占據能態與導帶的最低未占據能態之間的能量差稱為帶隙，表示材料的電導率。大帶隙意味著需要大量能量將價電子激發到導帶。相反，當價帶和導帶像金屬中那樣重疊時，電子可以很容易地在兩個帶之間跳躍，這意味著該材料被歸類為高導電性。

導體、絕緣體和半導體之間的差異可以通過它們的帶隙有多大來顯示。絕緣體的特點是帶隙大，因此需要大量的能量將電子移出價帶以形成電流。導體的導帶和價帶之間有重疊，因此此類導體中的價電子是自由的。

然而，半導體的帶隙很小，允許材料的少量價電子移動到導帶中。這種特性使它們具有導體和絕緣體之間的導電性，這也是它們非常適合電路的部分原因，因為它們不會像導體那樣引起短路。

GaN 和 SiC 器件在提高功率轉換效率并從而節省大量電力方面已經展現出巨大的潛力。

目前看來兩者都將在功率轉換領域找到有價值的位置。但有哪些差異呢？

基于SiC的金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 具有故障開放器件的優勢。

這意味著如果電路出現故障，設備就會停止傳導電流。這消除了故障可能導致短路以及可能的火災或爆炸的可能性。然而，這種有益的、有時也是必要的特征確實意味著它的電子移動速度不那么快，不幸的是，這會增加電阻，成為高效功率轉換的主要敵人。

GaN 基器件確實具有高電子遷移率。GaN 晶體管有所不同，因為流經器件的大部分電流是由電子速度而不是電荷量決定的。這意味著電荷必須進入設備才能打開或關閉它。這減少了每個開關周期所需的能量，并提供更高效的功率轉換操作。

但必須記住，有時 GaN 和 SiC 的不同操作特性和后續優勢在某些應用中可能是有益的，而不是將某項特定技術視為贏家。

讓我們來看看汽車制造商以及他們在涉及電動汽車 (EV) 設計的寬帶隙決策時的選擇，特別是車輛逆變器的工作（從根本上講是功率轉換）。

電動汽車需要逆變器將鋰電池的直流電轉換為車輛電動機可以使用的交流電。埃隆·馬斯克(Elon Musk)為他的特斯拉汽車選擇了SiC器件供應商，現在中國汽車制造商比亞迪、豐田、現代和梅賽德斯也紛紛效仿。

然而，對于汽車制造商來說，SiC 器件并沒有完全按照自己的方式行事。

GaN 的更高開關速度對于電動汽車逆變器來說是一個強大的優勢，因為它們使用硬開關。這樣可以通過快速從開到關切換來縮短器件保持高電壓和通過高電流的時間，從而提高性能。

除了逆變器外，電動汽車通常還配有車載充電器，可通過將交流電轉換為直流電來為車輛充電。在這方面，GaN 再次非常有吸引力。

在汽車應用中使用 SiC 會帶來一些挑戰。SiC 襯底價格不菲，占該器件生產材料成本的近 50%。SiC本質上也是一種低成品率的制造工藝，而且晶圓是透明的，需要昂貴的計量設備來監控該工藝。

制造SiC器件比制造Si基半導體更困難，而且SiC的硬度使得蝕刻和柵極氧化工藝變得困難。

在汽車制造方面，汽車制造商需要大量供應產品來維持生產線的運轉，而碳化硅的供應有限，這是其在汽車行業采用的另一個障礙。

與 SiC 相比，GaN 生長在更便宜的 Si 襯底上。然而，與 SiC 相比，它們確實需要更大的芯片尺寸來實現高電流應用。

使用硅基板有時會導致晶格失配和位錯等問題，進而導致柵極電流泄漏和可靠性降低，汽車制造商對組件的可靠性感到偏執，因為操作故障會導致汽車保修退貨，并隨后從汽車制造商的利潤中分一杯羹。

誠然，GaN 的這些問題可以通過更堅固的外延層輕松解決，但這反過來又會增加組件的總體成本，而且汽車制造商在供應組件的價格方面再次具有高度的成本意識。

創建適合汽車用途的半導體器件始終必須考慮溫度因素，并且由于 GaN 生長在 Si 襯底上，因此其導熱率取決于 Si 襯底的性能。

GaN對于高功率汽車應用（10kW以上）確實有局限性，并且是600V以下設備的首選，但它確實有潛力進入多電平功率拓撲的逆變器市場。由于汽車制造商需要不斷增加的電量來實現信息娛樂、快速通信、攝像頭和雷達等功能，因此人們對 48V 系統的興趣與日俱增。在這方面，GaN是合適的，因為它具有成本競爭力。

如前所述，GaN 可以節省系統級成本。器件和系統成本取決于襯底成本、晶圓制造、封裝和制造過程中的總產量。

SiC 和 GaN 可滿足不同的電壓、功率和應用需求。SiC 可處理高達 1,200V 的電壓水平，并具有高載流能力。這使得它們適合汽車逆變器和太陽能發電場的應用。

另外，由于其高頻開關能力及其成本優勢，GaN 已成為許多設計人員在 <10 kW 應用中的首選器件。

因此，這些只是兩種帶隙技術之間的一些操作差異，現階段不可能回答哪個將成為總體贏家的主要問題，主要是因為兩者在性能方面都在不斷發展。

展望未來，電力電子行業正在關注氧化鎵等新興材料。雖然氧化鎵具有廣闊的潛力，但鑒于該行業的保守性質，其采用將是漸進的。這些新型材料在高功率場景中的廣泛接受和應用將取決于它們建立可靠記錄的能力。

就 GaN 而言，它能夠提供非常快速的開關，同時在高溫下工作。它還具有尺寸優勢，被認為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從 SiC 的角度來看，這些設備的制造商在電動汽車市場上的情況看起來不錯。

咨詢公司麥肯錫表示，800V純電動汽車（BEV）最有可能使用基于SiC的逆變器，因為其效率高，預計到本十年末，BEV將占電動汽車的75%市場。

拋開這兩種技術之間的技術差異，分析師和專家對它們在本十年余下時間里的銷售情況有何看法？

從行業權威人士的平均觀點來看，SiC 似乎表現良好，銷售額將實現 29% 的復合年增長率 (CAGR)，到 2030 年全球銷售額將達到 120 億歐元。

GaN 器件銷售的財務狀況看起來同樣樂觀。盡管市場分析師的復合年增長率數據往往存在較大差異，但總體平均數字為 26%，到2030 年銷售額應達到約 100 億歐元。

因此，就技術能力、應用多功能性以及為半導體公司賺大錢的能力而言，GaN 和 Sic 沒有太多區別，因此，如果要在帶隙競賽中產生最終的獲勝者，它將是就看誰能展示出最具顛覆性的技術。