帶隙對決：GaN和SiC，哪個會占上風？

隨著氮化鎵（GaN）在照明領域應用的興起，電力電子封裝技術的進步也同樣重要。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)揮著至關重要的作用。

大多數(shù)人完全不知道電源轉換技術如何影響他們，但這個過程在全球范圍內每天發(fā)生數(shù)萬億次，使從手機到電動汽車再到醫(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換為直流電或相反的應用。由于實現(xiàn)這一過程的電子設備和系統(tǒng)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

在氮化鎵和碳化硅的制造中，襯底的選擇至關重要。雖然硅基氮化鎵利用現(xiàn)有的基礎設施，通常限制在 650V，但氮化鎵基質襯底技術（QST）的出現(xiàn)允許更厚的外延層。這項創(chuàng)新技術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，由于各種電力電子設備的創(chuàng)建和實施，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展。

氮化鎵技術的影響超越了傳統(tǒng)的電力電子技術，對可再生能源系統(tǒng)產生了重大影響。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)境保護工作。

其中的一個關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換設計的需求，并將繼續(xù)如此，尤其是在傳統(tǒng)應用中。但從長遠來看，先進的氮化鎵和碳化硅半導體器件將是未來的發(fā)展方向。

在氮化鎵和碳化硅的生產中過渡到更大的晶圓直徑會帶來一些挑戰(zhàn)。管理應力和調整現(xiàn)有技術以適應更大的晶圓是關鍵障礙。向 8 英寸晶圓廠的戰(zhàn)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發(fā)過程，突顯了半導體制造在 GaN 和 SiC 等先進材料領域的復雜性。

帶隙系數(shù)

氮化鎵和碳化硅都屬于一類稱為寬帶隙半導體的器件。半導體的帶隙定義為電子從價帶跳到導帶所需的能量（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)到導帶。相反，當價帶和導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電性。

導體、絕緣體和半導體之間的區(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。導體在導帶和價帶之間有重疊，因此這種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進入導帶。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顯示出巨大的潛力，從而節(jié)省了大量電力。

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

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

這意味著，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，這是高效功率轉換的主要敵人。

進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，并提供了更高效的電源轉換操作。

但是，與其將某項特定技術視為贏家，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換。

電動汽車需要一個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。碳化硅器件供應商是埃隆·馬斯克（Elon Musk）為特斯拉汽車選擇的供應商，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)更高的開關速度，這在電動汽車逆變器中是一個強大的優(yōu)勢，因為它們使用硬開關。這通過快速切換從開到關來縮短器件保持高電壓和傳遞高電流的時間，從而增強了性能。

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，占生產該器件材料清單成本的近 50%。碳化硅本質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監(jiān)控該過程。

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。

在汽車制造方面，汽車制造商需要大量供應的產品來保持生產線的流動，而在這里，碳化硅的供應有限，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用的需求。

組件可靠性

硅基板的使用有時會導致晶格不匹配和位錯等問題，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，因此其導熱性受 Si 襯底性能的影響。

氮化鎵在大功率汽車應用（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撲進入逆變器市場。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逆變器和太陽能發(fā)電場的應用。

另外，由于其高頻開關能力和成本優(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，其采用將是漸進的。這些新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。

在氮化鎵方面，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(yōu)勢，被認為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從碳化硅的角度來看，在電動汽車市場方面，這些設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，預計到本世紀末，BEV 將占電動汽車市場的 75%。

撇開這兩種技術之間的技術差異不談，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)專家的橫截面觀點來看，碳化硅似乎會表現(xiàn)良好，銷售額將實現(xiàn) 29% 的復合年增長率（CAGR），到 2030 年全球將達到 120 億歐元。

氮化鎵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(shù)據(jù)往往變化較大，但總體平均數(shù)字為 26%，到 2030 年銷售額應達到約 100 億歐元。

因此，就技術能力、應用多功能性和讓半導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。