帶隙對決：GaN和SiC，哪個(gè)會(huì )占上風(fēng)？

隨著(zhù)氮化鎵（GaN）在照明領(lǐng)域應用的興起，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(lái)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用中的可靠性和效率方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

大多數人完全不知道電源轉換技術(shù)如何影響他們，但這個(gè)過(guò)程在全球范圍內每天發(fā)生數萬(wàn)億次，使從手機到電動(dòng)汽車(chē)再到醫療和工業(yè)系統的任何東西都能發(fā)揮作用。事實(shí)上，任何必須將交流電轉換為直流電或相反的應用。由于實(shí)現這一過(guò)程的電子設備和系統的效率低下，每天浪費了大量的地球能源。

電源轉換中的新興技術(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有的基礎設施，通常限制在 650V，但氮化鎵基質(zhì)襯底技術(shù)（QST）的出現允許更厚的外延層。這項創(chuàng )新技術(shù)可在更高的電壓下工作，可能高達 1,200V 或更高，從而擴大了 GaN 和 SiC 在高壓電力電子應用中的應用范圍。

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

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

其中的一個(gè)關(guān)鍵因素是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。該器件已很好地滿(mǎn)足了電源轉換設計的需求，并將繼續如此，尤其是在傳統應用中。但從長(cháng)遠來(lái)看，先進(jìn)的氮化鎵和碳化硅半導體器件將是未來(lái)的發(fā)展方向。

在氮化鎵和碳化硅的生產(chǎn)中過(guò)渡到更大的晶圓直徑會(huì )帶來(lái)一些挑戰。管理應力和調整現有技術(shù)以適應更大的晶圓是關(guān)鍵障礙。向 8 英寸晶圓廠(chǎng)的戰略轉變旨在利用更大晶圓的優(yōu)勢，但涉及復雜而細致的開(kāi)發(fā)過(guò)程，突顯了半導體制造在 GaN 和 SiC 等先進(jìn)材料領(lǐng)域的復雜性。

帶隙系數

氮化鎵和碳化硅都屬于一類(lèi)稱(chēng)為寬帶隙半導體的器件。半導體的帶隙定義為電子從價(jià)帶跳到導帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價(jià)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(jià)帶的最高占據能量狀態(tài)與導帶的最低未占用狀態(tài)之間的能量差稱(chēng)為帶隙，表示材料的電導率。較大的帶隙意味著(zhù)需要大量能量才能將價(jià)電子激發(fā)到導帶。相反，當價(jià)帶和導帶像金屬一樣重疊時(shí)，電子可以很容易地在兩個(gè)帶之間跳躍，這意味著(zhù)該材料被歸類(lèi)為高導電性。

導體、絕緣體和半導體之間的區別可以通過(guò)它們的帶隙有多大來(lái)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(jià)帶以形成電流。導體在導帶和價(jià)帶之間有重疊，因此這種導體中的價(jià)電子是自由的。

然而，半導體的帶隙很小，允許材料的少量?jì)r(jià)電子進(jìn)入導帶。這種特性使它們在導體和絕緣體之間具有導電性，這也是它們非常適合電路的部分原因，因為它們不會(huì )像導體那樣引起短路。

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

這兩種技術(shù)比另一種技術(shù)具有優(yōu)勢，當考慮到這些技術(shù)時(shí)，目前看起來(lái)這兩種技術(shù)都將在功率轉換中找到有價(jià)值的位置。但是有什么區別呢？

基于 SiC 的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）具有作為失效打開(kāi)器件的優(yōu)點(diǎn)。

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

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(guò)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(zhù)電荷必須進(jìn)入設備才能打開(kāi)或關(guān)閉它。這減少了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的能量，并提供了更高效的電源轉換操作。

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

讓我們來(lái)看看汽車(chē)制造商及其在電動(dòng)汽車(chē) （EV）設計方面的寬禁帶決策方面的選擇，特別是車(chē)輛逆變器所做的工作，從根本上說(shuō)是功率轉換。

電動(dòng)汽車(chē)需要一個(gè)逆變器將鋰電池的直流電轉換為車(chē)輛電動(dòng)機可以使用的交流電。碳化硅器件供應商是埃隆·馬斯克（Elon Musk）為特斯拉汽車(chē)選擇的供應商，現在中國汽車(chē)制造商比亞迪（BYD）、豐田（Toyota）、現代（Hyundai）和梅賽德斯（Mercedes）也紛紛效仿。

然而，對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，碳化硅器件并沒(méi)有完全按照自己的方式實(shí)現。

氮化鎵可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)速度，這在電動(dòng)汽車(chē)逆變器中是一個(gè)強大的優(yōu)勢，因為它們使用硬開(kāi)關(guān)。這通過(guò)快速切換從開(kāi)到關(guān)來(lái)縮短器件保持高電壓和傳遞高電流的時(shí)間，從而增強了性能。

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

在汽車(chē)應用中使用碳化硅會(huì )帶來(lái)一些挑戰。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，需要昂貴的計量設備來(lái)監控該過(guò)程。

制造碳化硅器件比制造硅基半導體更困難，而碳化硅的硬度使蝕刻和柵極氧化工藝變得困難。

在汽車(chē)制造方面，汽車(chē)制造商需要大量供應的產(chǎn)品來(lái)保持生產(chǎn)線(xiàn)的流動(dòng)，而在這里，碳化硅的供應有限，這是其在汽車(chē)行業(yè)采用的另一個(gè)障礙。

與碳化硅相比，氮化鎵是在較便宜的硅襯底上生長(cháng)的。然而，與碳化硅相比，它們確實(shí)需要更大的芯片尺寸來(lái)滿(mǎn)足大電流應用的需求。

組件可靠性

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

誠然，氮化鎵的這些問(wèn)題可以通過(guò)更堅固的外延層輕松解決，但這反過(guò)來(lái)又會(huì )增加整體組件成本，而且汽車(chē)制造商在供應組件的價(jià)格方面再次非常注重成本。

為汽車(chē)制造合適的半導體器件始終必須考慮溫度問(wèn)題，并且由于 GaN 是在 Si 襯底上生長(cháng)的，因此其導熱性受 Si 襯底性能的影響。

氮化鎵在大功率汽車(chē)應用（10 kW 以上）方面確實(shí)存在局限性，并且是 600V 以下器件的首選，但它確實(shí)有可能以多級功率拓撲進(jìn)入逆變器市場(chǎng)。隨著(zhù)汽車(chē)制造商對信息娛樂(lè )、快速通信、攝像頭和雷達等功能的需求不斷增加，人們對 48V 系統的興趣越來(lái)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(lái)展望

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

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

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

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

展望未來(lái)，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(chǎng)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。

在氮化鎵方面，它能夠提供非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)，同時(shí)在高溫下工作。它還具有尺寸優(yōu)勢，被認為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從碳化硅的角度來(lái)看，在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)方面，這些設備的制造商的情況看起來(lái)不錯。

根據咨詢(xún)公司麥肯錫（McKinsey）的數據，800V 電池電動(dòng)汽車(chē)（BEV）最有可能使用基于 SiC 的逆變器，因為它們具有高效率，預計到本世紀末，BEV 將占電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的 75%。

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

從行業(yè)專(zhuān)家的橫截面觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，碳化硅似乎會(huì )表現良好，銷(xiāo)售額將實(shí)現 29% 的復合年增長(cháng)率（CAGR），到 2030 年全球將達到 120 億歐元。

氮化鎵器件銷(xiāo)售的財務(wù)狀況看起來(lái)同樣樂(lè )觀(guān)。盡管市場(chǎng)分析師的復合年增長(cháng)率數據往往變化較大，但總體平均數字為 26%，到 2030 年銷(xiāo)售額應達到約 100 億歐元。

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