谁将赢得宽带隙之战？

2023-08-06 11:05:04 悦智网作者:Umesh K. Mishra

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氮化镓和碳化硅正在争夺主导地位，它们将减少数十亿吨温室气体排放。

先进的半导体能减少温室气体排放，在遏制气候变化的斗争中发挥重要作用吗？答案是非常肯定的。这种变化实际上正在发生。

大约从2001年开始，化合物半导体氮化镓引发了一场照明革命，从某些方面来看，这是人类历史上最快的技术变革。根据国际能源署的一项研究，仅在短短20年内，氮化镓（GaN）基发光二极管在全球照明市场上的份额从就零增加到了50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近预测，未来7年，LED照明将使得全球照明用电减少30%至40%。根据联合国环境署的数据，照明约占全球电力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。

这场革命还远未结束。事实上，它即将跃上一个新台阶。正是氮化镓改变了照明行业的半导体技术，为加速电力电子革命贡献了力量。在庞大且重要的电力电子产品类别中，有两种半导体正在逐渐取代硅基电子产品，氮化镓是其中之一,另一种则是碳化硅（SiC）。

氮化镓和碳化硅器件的性能和效率均优于它们正在取代的硅器件。全世界有数十亿个这样的器件，其中许多每天运行数小时，可节省大量能源。与用氮化镓LED取代白炽灯和其他传统照明设备相比，氮化镓和碳化硅电力电子产品的兴起，最终将对地球气候产生更大的积极影响。

事实上，凡是需要交流电与直流电转换的地方，电力的浪费都会减少。手机和笔记本电脑的插座充电器、电动汽车充电的大型充电器和逆变器等都有这种转换。其他硅产品转换为新型半导体，类似的节约效应也将得到体现。这些新兴半导体在无线基站放大器等很多应用中都有明显优势，应用范围不断扩大。在减缓气候变化方面，消除电力浪费是比较容易实现的，而这些半导体就是我们实现这一目标的途径。

这是科技史上一种常见模式的新实例：两项相互竞争的创新在同一时间成熟。这将如何分出胜负呢？碳化硅将在哪些应用中占据主导地位，而氮化镓又将在哪些应用中流行？仔细观察这两种半导体的相对优势，我们可以获得一些可靠的线索。

在讨论半导体之前，我们先考虑一下为什么需要它们。首先：电源转换无处不在。而且它不仅发生在小型插座充电器内，为智能手机、平板电脑、笔记本电脑和无数其他设备供电。

电源转换，是指将可用电力转换为电子设备产品发挥功能所需的形式。在转换过程中总会有一些能量损失，因为有些电子设备是连续运行的，所以节省的能量将是巨大的。想想看：自1980年以来，即使美国加州的经济总量飙升，该州的电力消耗也基本保持平稳。需求保持平稳的最重要的一个原因是，在此期间冰箱和空调的效率大幅提高。实现这一改进的最主要因素是使用了基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的无极变速器和其他大幅提高效率的电力电子器件。

碳化硅和氮化镓将大大减少温室气体排放。根据氮化镓器件公司Transphorm（我作为联合创始人在2007年建立）对公开数据的分析，到2041年，仅在美国和印度，基于氮化镓的技术就可以减少超过10亿吨的温室气体。该结论所基于的数据来自国际能源署、Statista等。该分析还表明，这两个国家在2041年将节省1400太瓦时的能源，约相当于预计能源消耗量的10%到15%。

像普通晶体管一样，功率晶体管可以作为放大器或开关设备。无线基站将放大信号传输给智能手机，就是放大作用的典型体现。在世界各地，用于制造这些放大器晶体管的半导体正在从一种被称为“横向扩散金属氧化物半导体”（LDMOS）的硅技术转向氮化镓。这项新技术有许多优势，例如，根据频率的不同，功率效率可提高10%或更多。另一方面，在电源转换应用中，晶体管充当的是开关而不是放大器。这项标准技术被称为“脉宽调制”。例如，在普通类型的电机控制器中，直流电脉冲被馈送到安装在电机转子上的线圈。这些脉冲建立起一个磁场，与电机定子的磁场相互作用，使转子旋转。旋转的速度可通过改变脉冲的长度来控制：这些脉冲图形是方波的，脉冲“开”（而不是“关”）的时间越长，电机的旋转速度和扭矩就越大。功率晶体管可实现开关切换功能。

脉宽调制也用于开关电源，这是功率转换最常见的例子之一。几乎所有运行在直流电上的个人电脑、移动设备和电器都使用开关电源供电。基本上，输入的交流电压被转换成直流电压，然后该直流电压被“剁”成高频交流方波。“剁”是由功率晶体管完成的，它通过开关直流电压产生方波，将方波作用在变压器上，变压器改变波的振幅，产生所需的输出电压。为了获得稳定的直流电压输出，要对变压器输出的电压进行整流和滤波。

这里最重要的一点是，功率晶体管的特性几乎完全决定了脉宽调制电路的性能，因此也决定了调节电压控制器的效率。理想的功率晶体管在关断状态下，即使施加的电压很高，也能够完全阻断电流。这一特性被称为“高击穿场强”，它表明半导体能够承受多大的电压。另一方面，当它处于导通状态时，这种理想晶体管对电流流动的阻碍很小。这一特性源于半导体晶格中电荷（电子和空穴）的高迁移率。我们可以把击穿场强和电荷迁移率想象成功率半导体的阴阳两极。

与被取代的硅半导体相比，氮化镓和碳化硅更接近这个理想状态。首先来看一下击穿场强。氮化镓和碳化硅都属于宽带隙半导体。半导体的带隙被定义为半导体晶格中的电子从价带跃迁到导带所需的能量，单位为电子伏特。价带中的电子在晶格中参与原子键合，而导带中的电子在晶格中可以自由移动，形成导电。

在具有宽带隙的半导体中，原子之间键的联结力很强，该材料通常能够承受相对较高的电压，直至键断裂，晶体管被称为击穿。硅的带隙是1.12电子伏特，相比之下，氮化镓的带隙是3.40电子伏特。对于最常见类型的碳化硅，带隙为3.26电子伏特。

现在再看看迁移率，它的单位是平方厘米/伏秒（cm2/V•s）。迁移率和电场的乘积为电子的速度，对于给定数量的移动电荷，速度越高，携带的电流越大。对于硅，这个数字是1450；对于碳化硅，大约是950；而对于氮化镓来说，大约是2000。正是因为氮化镓的数值非同寻常地高，它不仅可应用于电源转换，还可用于微波放大器。氮化镓晶体管可以放大频率高达100千兆赫的信号，比通常认为的硅横向扩散金属氧化物半导体的最高频率（3至4千兆赫）还要高。作为参考，5G的毫米波频率最高为52.6千兆赫。这个最高的5G频段还没有得到广泛使用；然而，高达75千兆赫的频率正被部署在碟形天线间通信中，研究人员现在正在研究高达140千兆赫的频率，将其用于室内通信。对带宽的需求永不满足。

这些性能数据很重要，但它们不是在任何特定应用中比较氮化镓和碳化硅的唯一标准。其他关键因素还有器件及其集成系统的易用性和成本。这些因素共同说明了每一类半导体在哪里开始取代硅，以及取代的原因（见下图“氮化镓和碳化硅的竞争战场”）。对于未来的竞争结果，它们也提供了强有力的线索。

第一款在商业上可行并优于硅的碳化硅晶体管是Cree公司（现在的Wolfspeed）在2011年推出的。它可以抵抗1200伏的电压，并且传导电流的电阻相当低，仅为80毫欧。今天，市面上有3种不同的碳化硅晶体管：罗姆半导体集团的沟槽型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）；英飞凌、安森美半导体公司、意法半导体公司、Wolfspeed公司和其他公司的双扩散金属氧化物半导体（DMOS）；来自Qorvo的垂直结场效应晶体管。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的一大优势是与传统硅金属氧化物半导体场效应晶体管相似，甚至封装也一样。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的工作方式与普通硅金属氧化物半导体场效应晶体管基本相同，有一个源极、一个栅极和一个漏极。当设备开启时，电子从重掺杂n型源极流过轻掺杂体区，然后通过导电基板“漏出”。这种相似性意味着转换到碳化硅时，工程师只需要曲度很小的学习曲线。

与氮化镓相比，碳化硅具有其他优势。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管本质上属于“故障时自动开路”设备，这意味着若控制电路因任何原因发生故障，晶体管将停止传导电流。这是一个重要的功能，因为这个特性极大地消除了故障导致短路和火灾或爆炸的可能性。（然而，这个功能的代价是电子迁移率较低，增大了设备开启时的电阻。）

氮化镓有自己的独特优势。2000年，半导体首次在发光二极管和半导体激光器市场上立足。它是第一种能够可靠地发出明亮的绿色、蓝色、紫色和紫外光的半导体。但早在光电子学取得这项商业突破之前，我和其他研究人员就已经演示了氮化镓在高功率电子产品上的应用前景。因为填补了高效照明的空白，氮化镓 LED很快流行起来。但是用于电子产品的氮化镓必须证明自己优于现有技术：特别是英飞凌用于电力电子产品的硅CoolMOS晶体管，以及用于射频电子产品的硅横向扩散金属氧化物半导体和砷化镓晶体管。

氮化镓的主要优势在于其极高的电子迁移率。电流，即电荷的流动，等于电荷的浓度乘以其速度。所以，如果浓度高或速度快或两者皆有，就可以得到高电流。氮化镓晶体管之所以不同寻常，是因为在该器件中大部分电流的流动是由于电子速度而不是电荷浓度。在实践中，这意味着与硅或碳化硅相比，打开或关闭器件时需要较少的电荷流入设备，进而减少了每个开关周期所需的能量，可提高效率。

同时，氮化镓的高电子迁移率可以实现50伏/纳秒的开关速度。这一特性意味着基于氮化镓晶体管的电源转换器可以在数百千赫的频率下高效工作，而硅或碳化硅的工作频率在100千赫。

综合来看，高效率和高频率使得基于氮化镓器件的电源转换器可以变得非常小且轻：高效率意味着更小的散热器，并且在高频下工作意味着电感器和电容器也可以非常小。

氮化镓半导体的一个缺点是它们还没有可靠的绝缘技术。如果控制电路发生故障，无法自动断路，这增加了设备故障保护装置的设计复杂性。

有两种方案可以实现这种常闭特性。一种是给晶体管配备一个栅极，当没有电压施加到栅极时，这种栅极可以消除沟道中的电荷，只有在向栅极施加正电压时才传导电流。这些被称为“增强型器件”。它们的提供商有EPC、氮化镓系统公司、英飞凌、英诺赛科和纳微等（见下图“增强型氮化镓晶体管”）。

另一种方案被称为“共源共栅解决方案”。它使用一个独立的低损耗硅场效应晶体管为氮化镓晶体管提供故障保护功能。Power Integrations、德州仪器和Transphorm都使用这种共源共栅解决方案（见下图“共源共栅耗尽型氮化镓晶体管”）。

如果不考虑成本，那么对半导体的比较是不完整的。粗略的经验法则是，晶粒尺寸越小，成本越低。晶粒尺寸也就是集成电路包含器件的实际面积。

现在，碳化硅器件的晶粒通常比氮化镓器件的晶粒更小。然而，碳化硅的基板和制造成本要高于氮化镓，并且一般来说，用于5千瓦及更高功率的最终器件成本如今没有太大不同。然而，未来的趋势很可能有利于氮化镓。我认为氮化镓器件相对简单，这意味着生产成本可以足够低，从而克服晶粒尺寸大的不足。

也就是说，对于许多高电压、大功率的应用，氮化镓必须是低成本、高性能、额定电压达到1200伏的器件。毕竟，在这一电压下已经有碳化硅晶体管可用。目前，最接近的商用氮化镓晶体管的额定电压为900伏，由总部位于加州戈利塔的Transphorm公司生产，该公司是我与普赖米特•帕里克（Primit Parikh）共同创立的。最近，我们还演示了在蓝宝石基板上制造的1200伏器件，其电气和热性能与碳化硅器件相当。

根据研究公司Omdia对1200伏碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的预测，2025年其价格为16美分/安培。我估计，由于氮化镓基板的成本更低，2025年第一代1200伏氮化镓晶体管的价格将低于同级别的碳化硅晶体管。当然，这只是我的看法；再过几年，我们将明确知道它们的结果。

了解了这些相对优点和缺点，我们再来逐一看看各个应用，并说明未来可能将如何发展。

电动汽车逆变器和转换器：2017年，特斯拉Model 3采用了碳化硅车载或牵引逆变器，这是碳化硅半导体的早期和重大胜利。在电动汽车中，牵引逆变器将来自电池的直流电转换成用于电机的交流电。逆变器还通过改变交变电流的频率来控制电机的速度。据新闻报道，梅赛德斯-奔驰和Lucid Motors目前也在采用碳化硅逆变器，其他电动汽车制造商也计划在即将推出的车型中使用碳化硅。这些碳化硅器件由英飞凌、安森美、罗姆、Wolfspeed等公司提供。电动汽车牵引逆变器的功率范围一般在约为35至100千瓦（小型电动车）或400千瓦左右（大型电动车）。

然而，认为碳化硅赢得这场比赛还为时过早。正如我所提到的，为了打入这个市场，氮化镓供应商必须提供1200伏的器件。电动汽车的电动系统现在通常只在400伏下运行，但保时捷Taycan拥有800伏的系统，奥迪、现代和起亚的电动汽车也是如此。其他汽车制造商预计将在未来几年效仿它们的做法。（Lucid Air有一个900伏的系统。）我预计将在2025年看到第一批商用的1200伏氮化镓晶体管。这些器件不仅将用于汽车，还将用于公共快速电动汽车充电器。

氮化镓的高速开关性能将是电动汽车逆变器的一个强大优势，因为这些开关采用了所谓的“硬开关技术”。在这里，提高性能的方法是快速开关转换，尽可能缩短器件承受高电压和通过高电流的时间。

除了逆变器之外，电动汽车通常还带有车载充电器，可将交流电转换为直流电，使车辆能够用墙上（市电）电流充电。与选择氮化镓逆变器的原因相同，在这种场景中，氮化镓也非常有吸引力。

电网应用：至少在未来十年，额定电压为3千伏及以上的设备的超高压电力转换仍将以碳化硅为主导。这些应用包括电网稳定系统、以传输级电压进行AC/DC和DC/AC 转换的系统，以及其他用途。

手机、平板电脑和笔记本电脑充电器：从2019年开始，氮化镓系统、英诺赛科、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司开始销售基于氮化镓的墙上充电器。氮化镓的高开关速度、通常较低的成本，以及小尺寸和稳定的供应链使其成为低功率市场（25至500瓦）的主流产品。这些早期氮化镓电源转换器的开关频率高达300千赫，效率超过92%。它们创下的功率密度纪录高达30瓦/立方英寸（1.83瓦/立方厘米），大约是正被在取代的硅基充电器密度的2倍。

太阳能微型逆变器：近年来，太阳能发电在电网级和分布式（家庭）应用方面取得了成功。安装太阳能发电装置时都需要一个逆变器来将太阳能板的直流电转换成交流电，为家庭供电或将电能释放到电网。目前，硅绝缘栅双极型晶体管和碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管主导着电网级光伏逆变器，但氮化镓将开始进军分布式太阳能市场。

传统上，在这些分布式装置中，所有太阳能板只有一个逆变器箱。但是越来越多的安装者喜欢在系统中为每个面板配一个单独的微型逆变器，在给家里供电或给电网送电之前，先将交流电合并在一起。这种设置意味着系统可以监控每个面板的运行，优化整个阵列的性能。

微型逆变器或传统逆变器系统对现代数据中心至关重要。它们与电池相结合，构成了防止停电的不间断电源。此外，所有数据中心都使用功率因数校正电路，它可以调整电源的交流波形，提高效率并防止损坏设备。对于这些，氮化镓提供了一种低损耗且经济的解决方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站：氮化镓卓越的速度和高功率密度将能够赢得并最终主导微波领域的应用，特别是5G、6G无线以及商用和军用雷达。这方面的主要竞争对手是硅横向扩散金属氧化物半导体器件阵列，它们价格较低，但性能不高。事实上，在4千兆赫及以上的频率上，氮化镓没有真正的竞争对手。

对于5G和6G无线，关键参数是带宽，因为它决定了硬件能够有效传输的信息量。下一代5G系统将拥有近1千兆赫的带宽，支持高速视频和其他应用。

使用硅绝缘技术的微波通信系统提供了一种5G+解决方案，其中使用高频硅器件阵列解决单个器件的低输出功率问题。氮化镓和硅将在这一领域共存一段时间。具体应用的赢家将由系统架构、成本和性能之间的权衡决定。

雷达：美国军方正在部署许多基于氮化镓电子设备的地面雷达系统。其中包括面向地面/空中任务的雷达，以及由诺斯罗普•格鲁曼公司为美国海军陆战队建造的有源电子扫描阵列雷达。雷神公司的SPY6雷达已交付给美国海军，并于2022年12月进行了首次海上测试，该系统大大扩展了舰载雷达的作用范围并提高了灵敏度。

当下，碳化硅在电动汽车逆变器领域，以及电压阻断能力和功率处理通常至关重要且频率较低的应用中占据主导地位。对于关注高频性能的应用，氮化镓是首选技术，例如5G和6G基站，以及雷达和高频电力转换应用（如插座适配器、微型逆变器和电源设备）等。

但氮化镓和碳化硅的拉锯战才刚刚开始。不管竞争如何进行，随着一个应用接一个应用、一个市场接一个市场地铺开，我们可以肯定地说，地球环境将是赢家。随着这一新的技术更新和复兴周期不可阻挡地向前发展，未来几年将减少数十亿吨温室气体排放。

关键词：碳化硅 SiC 氮化镓