氮化镓和碳化硅争夺绿色科技霸主地位
先进的半导体公司能否减少温室气体的排放，足以在阻止气候变化的斗争中发挥作用？答案是一个响亮的肯定。这种变化实际上正在进行中。
大约从2001年开始，化合物半导体氮化镓掀起了一场照明革命，从某种程度上说，这是人类历史上最快的技术转变。根据国际能源署的一项研究，在短短20年内，基于氮化镓的发光二极管在全球照明市场的份额已经从零上升到50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近预测，在全球范围内，LED照明将负责在未来七年内将照明用电减少30%至40%。根据联合国环境规划署的数据，在全球范围内，照明约占用电量的20%，占二氧化碳排放量的6%。
这场革命远未结束。事实上，它即将跳到一个更高的水平。改变了照明行业的半导体技术--氮化镓(GaN)，也是电力电子技术革命的一部分，目前正在蓄势待发。它是两种半导体中的一种--另一种是碳化硅（SiC）--已经开始在巨大而重要的电力电子领域取代硅基电子。
氮化镓和碳化硅器件比它们所替代的硅元件性能更好，效率更高。全世界有无数个这样的设备，其中许多设备每天都要运行几个小时，因此节省的能源将是巨大的。氮化镓和碳化硅电力电子的兴起，最终将对地球的气候产生更大的积极影响，而不是用氮化镓LED取代白炽灯和其他传统照明。
实际上，在所有必须将交流电转化为直流电或反之亦然的地方，都将减少浪费的瓦特。这种转换发生在你的手机或笔记本电脑的壁式充电器中，发生在为电动汽车供电的更大的充电器和逆变器中，以及其他地方。而且，随着其他硅的据点落入新的半导体，也会有类似的节省。无线基站放大器是这些新兴半导体明显具有优势的越来越多的应用之一。在减缓气候变化的努力中，消除电力消耗的浪费是低垂的果实，而这些半导体是我们收获它的方式。
这是技术史上一个熟悉的模式的新实例：两个相互竞争的创新在同一时间取得了成果。这一切将如何演变？在哪些应用中SiC将占主导地位，而在哪些应用中GaN将占上风？仔细研究一下这两种半导体的相对优势，我们可以得到一些可靠的线索。
为什么功率转换在气候计算中非常重要
在我们讨论半导体本身之前，让我们首先考虑为什么我们需要它们。首先是： 电源转换无处不在。它远远超出了维持我们的智能手机、平板电脑、笔记本电脑和无数其他小玩意的小型壁式充电器。
电力转换是将电力从可用的形式变为产品执行其功能所需的形式的过程。在这一转换过程中总是会损失一些能量，而且由于其中一些产品是连续运行的，因此节省的能源可能是巨大的。考虑一下： 加利福尼亚州的电力消耗从1980年起基本持平，即使该州的经济产出急剧上升。需求保持平稳的一个最重要的原因是，冰箱和空调的效率在这一时期有了很大的提高。这种改进的最大因素是基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）和其他电力电子技术的变速驱动器的使用，这大大提高了效率。
SiC和GaN将实现更大的减排量。根据Transphorm（我在2007年共同创立的一家GaN设备公司）对公开数据的分析，仅在2041年，基于GaN的技术就可以为美国和印度节省超过10亿吨温室气体。这些数据来自国际能源署、Statista和其他来源。同样的分析表明，这两个国家当年可节省1400兆瓦时的能源--或者说是预计能源消耗的10%至15%。
宽波段的优势
像普通的晶体管一样，功率晶体管可以作为一个放大装置或作为一个开关。放大作用的一个重要例子是在无线基站中，它将信号放大以传输给智能手机。在世界各地，用于制造这些放大器中的晶体管的半导体正在从称为横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）的硅技术转向氮化镓。较新的技术有许多优点，包括根据频率的不同，功率效率可提高10%或更多。另一方面，在功率转换应用中，晶体管作为一个开关，而不是作为一个放大器。标准技术被称为脉宽调制。例如，在一种常见的电机控制器中，直流电的脉冲被输送到安装在电机转子上的线圈。这些脉冲建立了一个磁场，与电机定子的磁场相互作用，使转子旋转。这种旋转的速度是通过改变脉冲的长度来控制的： 这些脉冲的图形是一个方波，脉冲 "开 "的时间越长，而不是 "关 "的时间越长，电机提供的旋转速度和扭矩就越大。功率晶体管完成了开和关的切换。
脉宽调制也用于开关电源，这是电源转换最常见的例子之一。开关电源是用于为几乎所有个人电脑、移动设备和使用直流电的电器供电的类型。基本上，输入的交流电压被转换为直流，然后直流被 "切分 "为高频交流方波。这种斩波是由功率晶体管完成的，它通过打开和关闭直流电来创造方波。方波被应用于一个变压器，该变压器改变方波的振幅以产生所需的输出电压。为了得到一个稳定的直流输出，来自变压器的电压被整流和过滤。
这里重要的一点是，功率晶体管的特性几乎完全决定了电路的脉宽调制效果，因此决定了控制器调节电压的效率。一个理想的功率晶体管在关断状态时，即使应用电压很高，也会完全阻断电流流动。这一特性被称为高电击穿场强，它表明半导体能够承受多大的电压。另一方面，当它处于开启状态时，这种理想的晶体管对电流的流动具有非常低的阻力。这一特点是由于半导体晶格内的电荷--电子和空穴--具有非常高的流动性。可以把击穿场强和电荷迁移率看作是功率半导体的阴阳关系。
氮化镓晶体管非常不寻常，因为流经它们的大部分电流是由于电子速度而不是电子电荷。
氮化镓和碳化硅比它们所替代的硅半导体更接近这一理想。首先，考虑击穿场强。氮化镓和碳化硅都属于一类叫做宽带隙的半导体。半导体的带隙被定义为半导体晶格中的电子从价带跳到导带所需的能量，单位是电子伏特。价带中的电子参与晶格内原子的结合，而传导带中的电子可以在晶格内自由移动并导电。
在具有宽带隙的半导体中，原子之间的键很强，因此材料通常能够承受相对较高的电压，然后键才会断裂，晶体管才会被称为断裂。硅的带隙是1.12电子伏特，而氮化镓是3.40电子伏特。对于最常见的SiC，带隙是3.26电子伏特。
现在我们来看看迁移率，它的单位是每伏秒平方厘米（cm2/V-s）。迁移率和电场的乘积产生了电子的速度，速度越高，在给定的移动电荷量下，携带的电流越大。对于硅来说，这个数字是1450；对于SiC来说，大约是950；而对于GaN来说，大约是2000。氮化镓异常高的数值是它不仅可以用于功率转换应用，还可以用于微波放大器的原因。氮化镓晶体管可以放大频率高达100千兆赫的信号--远远高于通常被认为是硅LDMOS的最大值的3至4GHz。作为参考，5G的毫米波频率最高为52.6GHz。这个最高的5G频段尚未被广泛使用，然而，高达75 GHz的频率正被部署在碟对碟的通信中，而且研究人员目前正在研究高达140 GHz的频率用于室内通信。对带宽的渴求是无法满足的。
这些性能数据很重要，但它们并不是在任何特定应用中比较氮化镓和碳化硅的唯一标准。其他关键因素包括器件和集成系统的易用性和成本。综合来看，这些因素解释了这些半导体在哪里以及为什么开始取代硅，以及它们未来的竞争会如何发展。
如今SiC在功率转换领域领先GaN
第一个商业上可行的、优于硅的SiC晶体管是由Cree（现在的Wolfspeed）在2011年推出的。它可以阻挡1200伏的电压，并且在传导电流时具有80毫欧的可敬低电阻。今天，市场上有三种不同类型的SiC晶体管。有Rohm公司的沟槽MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）；英飞凌科技公司、安森美半导体公司、意法半导体公司、Wolfspeed公司等的DMOS（双扩散MOS）；以及Qorvo公司的垂直结场效应晶体管。
SiC MOSFET的一大优势是它与传统的硅产品相似--甚至包装也是相同的。SiC MOSFET的工作方式与普通硅MOSFET基本相同。有一个源极、一个栅极和一个漏极。当器件开启时，电子从重掺杂的n型源流过轻掺杂的体区，然后通过导电衬底被 "排空"。这种相似性意味着对工程师来说，转换到SiC的学习曲线很小。
与GaN相比，SiC还有其他优势。SiC MOSFET本身就是 "故障开放 "器件，这意味着如果控制电路因任何原因发生故障，晶体管就会停止传导电流。这是一个重要的特性，因为这一特性在很大程度上消除了故障可能导致短路和火灾或爆炸的可能性。(然而，为这一特性所付出的代价是较低的电子迁移率，这在设备开启时增加了电阻）。
但氮化镓正在取得进展
氮化镓带来了它自己独特的优势。该半导体于2000年首次在发光二极管和半导体激光器市场上确立了自己的商业地位。它是第一个能够可靠地发出明亮的绿光、蓝光、紫光和紫外线的半导体。但早在光电子学的这一商业突破之前，我和其他研究人员已经证明了氮化镓在高功率电子方面的前景。氮化镓LED迅速流行起来，因为它们填补了高效照明的空白。但用于电子的氮化镓必须证明自己比现有技术更优越：特别是用于电力电子的英飞凌的硅CoolMOS晶体管，以及用于射频电子的硅-LDMOS和砷化镓晶体管。
氮化镓的主要优势是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。因此，你可以因为高浓度或高速度或两者的某种组合而获得高电流。氮化镓晶体管是不寻常的，因为流经该器件的大部分电流是由于电子速度而不是电荷浓度。这在实践中意味着，与硅或碳化硅相比，需要流入器件的电荷较少，才能将其打开或关闭。这反过来又减少了每个开关周期所需的能量，有助于实现高效率。
同时，氮化镓的高电子迁移率使开关速度达到每纳秒50伏的水平。这一特性意味着基于氮化镓晶体管的功率转换器可以在几百千赫兹的频率下有效运行，而硅或碳化硅的频率约为100千赫兹。
综合来看，高效率和高频率使基于氮化镓器件的功率转换器变得相当小和轻巧：高效率意味着更小的散热器，而在高频率下工作意味着电感和电容也可以非常小。
氮化镓半导体的问题在于它们还没有可靠的绝缘体技术。这使得设计故障安全的器件变得复杂，换句话说，如果控制电路发生故障，这些器件就会打开。
有两种方案可以实现这种常断特性。一种是给晶体管配备一种栅极，当没有电压施加到栅极上时，可以消除通道中的电荷，只有在对该栅极施加正电压时才会传导电流。这些被称为增强模式的器件。例如，EPC、GaN Systems、Infineon、Innoscience和Navitas等公司都提供这种器件。
另一种方案被称为级联方案。它使用一个独立的、低损耗的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都采用了这种级联方案。
如果不考虑成本，任何半导体的比较都是不完整的。一个粗略的经验法则是，更小的芯片尺寸意味着更低的成本。芯片尺寸是指包含器件的集成电路的物理面积。
现在SiC器件的模具一般比GaN的小。然而，SiC的衬底和制造成本比GaN高，一般来说，今天5千瓦以上的应用的最终器件成本没有太大差别。不过，未来的趋势可能会有利于GaN。我这样认为是基于氮化镓器件的相对简单性，这将意味着生产成本低到足以克服较大的芯片尺寸。
也就是说，为了使GaN在许多同时要求高电压的大功率应用中可行，它必须有一个高性价比、高性能的器件，额定电压为1200V。毕竟，已经有SiC晶体管可以达到这个电压。目前，最接近商业化的GaN晶体管的额定电压为900V，由我和Primit Parikh共同创立的Transphorm公司生产。最近，我们还展示了在蓝宝石衬底上制造的1200V器件，其电气和热性能与SiC器件相当。
研究公司Omdia对1,200-V SiC MOSFET的预测表明，2025年的价格为每安培16美分。据我估计，由于氮化镓衬底的成本较低，2025年第一代1200V氮化镓晶体管的价格将低于其SiC同类产品的价格。当然，这只是我的看法；几年后，我们都会知道结果如何。
氮化镓与碳化硅的较量：对竞赛的盘点
考虑到这些相对优势和劣势，让我们逐一考虑个别应用，并对事情可能的发展做出一些说明。
电动汽车的逆变器和转换器： 特斯拉在2017年将SiC用于其Model 3的车载或牵引逆变器，是该半导体的早期重大胜利。在电动车中，牵引逆变器将电池的直流电转换为电机的交流电。逆变器还通过改变交流电的频率来控制电机的速度。据新闻报道，今天，梅赛德斯-奔驰和Lucid Motors也在其逆变器中使用SiC，其他电动车制造商也计划在即将推出的车型中使用SiC。这些SiC器件由英飞凌、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等公司提供。电动车牵引逆变器的功率通常从小型电动车的约35千瓦到100千瓦，到大型车辆的约400千瓦。
然而，现在说这是SiC的竞争还为时过早。正如我所指出的，为了在这个市场上取得进展，氮化镓供应商将必须提供1200伏的设备。目前，电动车电气系统的工作电压通常只有400伏，但保时捷Taycan有一个800伏的系统，奥迪、现代和起亚的电动车也是如此。其他汽车制造商预计将在未来几年跟随他们的步伐。(Lucid Air有一个900伏的系统。)我预计将在2025年看到第一个商用1200伏的GaN晶体管。这些器件不仅将用于汽车，还将用于高速公共电动车充电器。
氮化镓可能实现的更高的开关速度将成为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，提高性能的方法是非常快速地从开到关，以尽量减少器件既保持高电压又通过大电流的时间。
除了逆变器外，电动车通常还有一个车载充电器，通过将交流电转换为直流电，使车辆能够从墙壁(主电源)充电。在这里，GaN同样非常有吸引力，原因与它成为逆变器的良好选择一样。
电网应用： 至少在未来十年内，额定电压为3千伏及以上的器件的超高压电力转换仍将是SiC的领域。这些应用包括帮助稳定电网的系统，在输电级电压下将交流电转换为直流电再转换回来，以及其他用途。
手机、平板电脑和笔记本电脑的充电器： 从2019年开始，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司的基于GaN的壁式充电器开始投入商业使用。氮化镓的高开关速度加上其普遍较低的成本，使其成为低功率市场（25至500瓦）的主流，在这些市场上，这些因素以及小尺寸和强大的供应链是最重要的。这些早期的GaN功率转换器的开关频率高达300kHz，效率高于92%。它们创造了功率密度的记录，每立方英寸高达30W（1.83W/cm3），比它们所替代的硅基充电器的密度高出一倍。
太阳能微型逆变器： 近年来，太阳能发电在电网规模和分布式（家庭）应用中都得到了发展。对于每一个安装，都需要一个逆变器将太阳能电池板的直流电转换为交流电，以便为家庭供电或将电力释放到电网。今天，电网规模的光伏逆变器是硅IGBT和SiC MOSFET的领域。但氮化镓将开始在分布式太阳能市场上取得进展。
传统上，在这些分布式安装中，所有的太阳能电池板都有一个单一的逆变器箱。但是，越来越多的安装者青睐于这样的系统，即每块电池板都有一个单独的微型逆变器，交流电在为房屋供电或为电网供电之前被合并。这样的设置意味着系统可以监控每个电池板的运行，以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。它们与电池一起创造了一个不间断的电源，以防止停电。此外，所有数据中心都使用功率因素校正电路，调整电源的交流电波形，以提高效率，并消除可能损坏设备的特性。而对于这些，氮化镓提供了一种低损耗和经济的解决方案，正在慢慢取代硅。
5G和6G基站： 氮化镓的卓越速度和高功率密度将使其赢得并最终主导微波阶段的应用，特别是5G和6G无线，以及商业和军事雷达。这里的主要竞争者是硅LDMOS器件阵列，它们更便宜但性能更低。事实上，GaN在4GHz及以上的频率没有真正的竞争对手。
对于5G和6G无线来说，关键参数是带宽，因为它决定了硬件可以有效地传输多少信息。下一代5G系统将拥有近1GHz的带宽，可以实现极快的视频和其他应用。
使用绝缘体上的硅技术的微波通信系统提供了一个使用高频硅器件的5G+解决方案，其中每个器件的低输出功率可以通过大型阵列来克服。氮化镓和硅在这个领域将共存一段时间。具体应用中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器件的地基雷达系统。其中包括Northrup-Grumman公司为美国海军陆战队制造的地面/空中任务导向雷达和主动电子扫描阵列雷达。雷神公司的SPY6雷达已交付给美国海军，并于2022年12月首次在海上测试。该系统大大扩展了舰载雷达的范围和灵敏度。
宽带之战才刚刚开始
今天，SiC在电动车逆变器中占主导地位，一般来说，在电压阻断能力和功率处理能力最重要以及频率较低的情况下，SiC是首选技术。氮化镓是高频性能的首选技术，如5G和6G的基站，以及雷达和高频电源转换应用，如壁挂式适配器、微型逆变器和电源。
但氮化镓和碳化硅之间的拉锯战才刚刚开始。无论竞争如何进行，逐个应用和逐个市场，我们可以肯定地说，地球环境将是一个赢家。在未来几年里，随着这个新的技术替代和复兴的周期不可阻挡地向前发展，无数亿吨的温室气体将被避免。
