帶隙對決：GaN和SiC，哪個會占上風(fēng)？

隨著氮化鎵（GaN）在照明領(lǐng)域應(yīng)用的興起，電力電子封裝技術(shù)的進(jìn)步也同樣重要。氮化鎵和碳化硅（SiC）的采用需要創(chuàng)新方法來管理增加的功率能力。散熱器技術(shù)的最新發(fā)展尤其引人注目，在保持大功率器件的熱性能并確保其在各種應(yīng)用中的可靠性和效率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

大多數(shù)人完全不知道電源轉(zhuǎn)換技術(shù)如何影響他們，但這個過程在全球范圍內(nèi)每天發(fā)生數(shù)萬億次，使從手機(jī)到電動汽車再到醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的任何東西都能發(fā)揮作用。事實上，任何必須將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或相反的應(yīng)用。由于實現(xiàn)這一過程的電子設(shè)備和系統(tǒng)的效率低下，每天浪費(fèi)了大量的地球能源。

電源轉(zhuǎn)換中的新興技術(shù)

在氮化鎵和碳化硅的制造中，襯底的選擇至關(guān)重要。雖然硅基氮化鎵利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，通常限制在 650V，但氮化鎵基質(zhì)襯底技術(shù)（QST）的出現(xiàn)允許更厚的外延層。這項創(chuàng)新技術(shù)可在更高的電壓下工作，可能高達(dá) 1,200V 或更高，從而擴(kuò)大了 GaN 和 SiC 在高壓電力電子應(yīng)用中的應(yīng)用范圍。

可以說，由于各種電力電子設(shè)備的創(chuàng)建和實施，在減少這種功率轉(zhuǎn)換效率低下方面，電子化方面取得了很大進(jìn)展。

氮化鎵技術(shù)的影響超越了傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)，對可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響。氮化鎵器件以高效率著稱，可以大幅減少太陽能電池板和風(fēng)電場等系統(tǒng)的碳足跡，有助于提供更可持續(xù)、更環(huán)保的能源解決方案，以配合全球環(huán)境保護(hù)工作。

其中的一個關(guān)鍵因素是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。該器件已很好地滿足了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計的需求，并將繼續(xù)如此，尤其是在傳統(tǒng)應(yīng)用中。但從長遠(yuǎn)來看，先進(jìn)的氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體器件將是未來的發(fā)展方向。

在氮化鎵和碳化硅的生產(chǎn)中過渡到更大的晶圓直徑會帶來一些挑戰(zhàn)。管理應(yīng)力和調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)以適應(yīng)更大的晶圓是關(guān)鍵障礙。向 8 英寸晶圓廠的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變旨在利用更大晶圓的優(yōu)勢，但涉及復(fù)雜而細(xì)致的開發(fā)過程，突顯了半導(dǎo)體制造在 GaN 和 SiC 等先進(jìn)材料領(lǐng)域的復(fù)雜性。

帶隙系數(shù)

氮化鎵和碳化硅都屬于一類稱為寬帶隙半導(dǎo)體的器件。半導(dǎo)體的帶隙定義為電子從價帶跳到導(dǎo)帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價帶只是電子占據(jù)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(jù)能量狀態(tài)與導(dǎo)帶的最低未占用狀態(tài)之間的能量差稱為帶隙，表示材料的電導(dǎo)率。較大的帶隙意味著需要大量能量才能將價電子激發(fā)到導(dǎo)帶。相反，當(dāng)價帶和導(dǎo)帶像金屬一樣重疊時，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(dǎo)電性。

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之間的區(qū)別可以通過它們的帶隙有多大來表示。絕緣體的特點(diǎn)是帶隙大，因此需要大量的能量才能將電子移出價帶以形成電流。導(dǎo)體在導(dǎo)帶和價帶之間有重疊，因此這種導(dǎo)體中的價電子是自由的。

然而，半導(dǎo)體的帶隙很小，允許材料的少量價電子進(jìn)入導(dǎo)帶。這種特性使它們在導(dǎo)體和絕緣體之間具有導(dǎo)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(dǎo)體那樣引起短路。

氮化鎵和碳化硅器件在提高功率轉(zhuǎn)換效率水平方面已經(jīng)顯示出巨大的潛力，從而節(jié)省了大量電力。

這兩種技術(shù)比另一種技術(shù)具有優(yōu)勢，當(dāng)考慮到這些技術(shù)時，目前看起來這兩種技術(shù)都將在功率轉(zhuǎn)換中找到有價值的位置。但是有什么區(qū)別呢？

基于 SiC 的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）具有作為失效打開器件的優(yōu)點(diǎn)。

這意味著，如果電路發(fā)生故障，器件將停止導(dǎo)通電流。這消除了故障可能導(dǎo)致短路和可能的火災(zāi)或爆炸的可能性。然而，這種有益的、有時是必不可少的特征確實意味著它的電子移動速度不那么快，不幸的是，這增加了電阻，這是高效功率轉(zhuǎn)換的主要敵人。

進(jìn)入具有高電子遷移率的基于 GaN 的器件。氮化鎵晶體管不同，因為流過器件的大部分電流是由于電子速度而不是電荷量造成的。這意味著電荷必須進(jìn)入設(shè)備才能打開或關(guān)閉它。這減少了每個開關(guān)周期所需的能量，并提供了更高效的電源轉(zhuǎn)換操作。

但是，與其將某項特定技術(shù)視為贏家，不如記住，有時氮化鎵和碳化硅的不同操作特性和后續(xù)優(yōu)勢在某些應(yīng)用中可能是有益的。

讓我們來看看汽車制造商及其在電動汽車 （EV）設(shè)計方面的寬禁帶決策方面的選擇，特別是車輛逆變器所做的工作，從根本上說是功率轉(zhuǎn)換。

電動汽車需要一個逆變器將鋰電池的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電動機(jī)可以使用的交流電。碳化硅器件供應(yīng)商是埃隆·馬斯克（Elon Musk）為特斯拉汽車選擇的供應(yīng)商，現(xiàn)在中國汽車制造商比亞迪（BYD）、豐田（Toyota）、現(xiàn)代（Hyundai）和梅賽德斯（Mercedes）也紛紛效仿。

然而，對于汽車制造商來說，碳化硅器件并沒有完全按照自己的方式實現(xiàn)。

氮化鎵可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度，這在電動汽車逆變器中是一個強(qiáng)大的優(yōu)勢，因為它們使用硬開關(guān)。這通過快速切換從開到關(guān)來縮短器件保持高電壓和傳遞高電流的時間，從而增強(qiáng)了性能。

除了逆變器外，電動汽車通常還具有車載充電器，通過將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，可以從市電為車輛充電。在這方面，氮化鎵非常有吸引力。

在汽車應(yīng)用中使用碳化硅會帶來一些挑戰(zhàn)。碳化硅襯底并不便宜，占生產(chǎn)該器件材料清單成本的近 50%。碳化硅本質(zhì)上也是一種低良率的制造工藝，晶圓是透明的，需要昂貴的計量設(shè)備來監(jiān)控該過程。

制造碳化硅器件比制造硅基半導(dǎo)體更困難，而碳化硅的硬度使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(yīng)的產(chǎn)品來保持生產(chǎn)線的流動，而在這里，碳化硅的供應(yīng)有限，這是其在汽車行業(yè)采用的另一個障礙。

與碳化硅相比，氮化鎵是在較便宜的硅襯底上生長的。然而，與碳化硅相比，它們確實需要更大的芯片尺寸來滿足大電流應(yīng)用的需求。

組件可靠性

硅基板的使用有時會導(dǎo)致晶格不匹配和位錯等問題，進(jìn)而導(dǎo)致柵極電流泄漏和可靠性降低，汽車制造商對組件可靠性感到偏執(zhí)，因為操作故障會增加汽車保修退貨，從而從汽車制造商的利潤中抽取一大筆。

誠然，氮化鎵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整體組件成本，而且汽車制造商在供應(yīng)組件的價格方面再次非常注重成本。

為汽車制造合適的半導(dǎo)體器件始終必須考慮溫度問題，并且由于 GaN 是在 Si 襯底上生長的，因此其導(dǎo)熱性受 Si 襯底性能的影響。

氮化鎵在大功率汽車應(yīng)用（10 kW 以上）方面確實存在局限性，并且是 600V 以下器件的首選，但它確實有可能以多級功率拓?fù)溥M(jìn)入逆變器市場。隨著汽車制造商對信息娛樂、快速通信、攝像頭和雷達(dá)等功能的需求不斷增加，人們對 48V 系統(tǒng)的興趣越來越大。在這方面，氮化鎵是合適的，因為它具有成本競爭力。

未來展望

如前所述，氮化鎵可以節(jié)省系統(tǒng)級成本。器件和系統(tǒng)成本取決于基板成本、晶圓制造、封裝和制造過程中的整體良率。

碳化硅和氮化鎵滿足不同的電壓、功率和應(yīng)用需求。SiC 可處理高達(dá) 1,200V 的電壓電平，具有高載流能力。這使得它們適用于汽車逆變器和太陽能發(fā)電場的應(yīng)用。

另外，由于其高頻開關(guān)能力和成本優(yōu)勢，氮化鎵已成為許多設(shè)計人員在 <10kW 應(yīng)用中的首選器件。

因此，這些只是兩種帶隙技術(shù)之間的一些操作差異，在現(xiàn)階段不可能回答哪個將成為總贏家的頭條問題，主要是因為兩者在性能方面都在不斷發(fā)展。

展望未來，電力電子行業(yè)正在關(guān)注氧化鎵（Ga2O3）等新興材料。雖然 Ga2O3 具有廣闊的潛力，但鑒于該行業(yè)的保守性，其采用將是漸進(jìn)的。這些新材料在高功率場景中的廣泛接受和應(yīng)用將取決于它們建立可靠記錄的能力。

在氮化鎵方面，它能夠提供非常快速的開關(guān)，同時在高溫下工作。它還具有尺寸優(yōu)勢，被認(rèn)為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從碳化硅的角度來看，在電動汽車市場方面，這些設(shè)備的制造商的情況看起來不錯。

根據(jù)咨詢公司麥肯錫（McKinsey）的數(shù)據(jù)，800V 電池電動汽車（BEV）最有可能使用基于 SiC 的逆變器，因為它們具有高效率，預(yù)計到本世紀(jì)末，BEV 將占電動汽車市場的 75%。

撇開這兩種技術(shù)之間的技術(shù)差異不談，分析師和專家們對它們在這 10 年剩下的時間里的表現(xiàn)有何看法？

從行業(yè)專家的橫截面觀點(diǎn)來看，碳化硅似乎會表現(xiàn)良好，銷售額將實現(xiàn) 29% 的復(fù)合年增長率（CAGR），到 2030 年全球?qū)⑦_(dá)到 120 億歐元。

氮化鎵器件銷售的財務(wù)狀況看起來同樣樂觀。盡管市場分析師的復(fù)合年增長率數(shù)據(jù)往往變化較大，但總體平均數(shù)字為 26%，到 2030 年銷售額應(yīng)達(dá)到約 100 億歐元。

因此，就技術(shù)能力、應(yīng)用多功能性和讓半導(dǎo)體公司賺大錢的能力而言，氮化鎵和碳化硅之間沒有太多區(qū)別，因此，如果要在帶隙競賽中最終獲勝，那將取決于它們中誰能夠展示最具顛覆性的技術(shù)。