氮化鎵和碳化硅正在爭奪主導(dǎo)地位，它們將減少數(shù)十億噸溫室氣體排放。

先進(jìn)的半導(dǎo)體能減少溫室氣體排放，在遏制氣候變化的斗爭中發(fā)揮重要作用嗎？答案是非常肯定的。這種變化實際上正在發(fā)生。

大約從2001年開始，化合物半導(dǎo)體氮化鎵引發(fā)了一場照明革命，從某些方面來看，這是人類歷史上最快的技術(shù)變革。根據(jù)國際能源署的一項研究，僅在短短20年內(nèi)，氮化鎵（GaN）基發(fā)光二極管在全球照明市場上的份額從就零增加到了50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近預(yù)測，未來7年，LED照明將使得全球照明用電減少30%至40%。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署的數(shù)據(jù)，照明約占全球電力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。

這場革命還遠(yuǎn)未結(jié)束。事實上，它即將躍上一個新臺階。正是氮化鎵改變了照明行業(yè)的半導(dǎo)體技術(shù)，為加速電力電子革命貢獻(xiàn)了力量。在龐大且重要的電力電子產(chǎn)品類別中，有兩種半導(dǎo)體正在逐漸取代硅基電子產(chǎn)品，氮化鎵是其中之一,另一種則是碳化硅（SiC）。

氮化鎵和碳化硅器件的性能和效率均優(yōu)于它們正在取代的硅器件。全世界有數(shù)十億個這樣的器件，其中許多每天運行數(shù)小時，可節(jié)省大量能源。與用氮化鎵LED取代白熾燈和其他傳統(tǒng)照明設(shè)備相比，氮化鎵和碳化硅電力電子產(chǎn)品的興起，最終將對地球氣候產(chǎn)生更大的積極影響。

事實上，凡是需要交流電與直流電轉(zhuǎn)換的地方，電力的浪費都會減少。手機和筆記本電腦的插座充電器、電動汽車充電的大型充電器和逆變器等都有這種轉(zhuǎn)換。其他硅產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為新型半導(dǎo)體，類似的節(jié)約效應(yīng)也將得到體現(xiàn)。這些新興半導(dǎo)體在無線基站放大器等很多應(yīng)用中都有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用范圍不斷擴大。在減緩氣候變化方面，消除電力浪費是比較容易實現(xiàn)的，而這些半導(dǎo)體就是我們實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑。

這是科技史上一種常見模式的新實例：兩項相互競爭的創(chuàng)新在同一時間成熟。這將如何分出勝負(fù)呢？碳化硅將在哪些應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，而氮化鎵又將在哪些應(yīng)用中流行？仔細(xì)觀察這兩種半導(dǎo)體的相對優(yōu)勢，我們可以獲得一些可靠的線索。

在討論半導(dǎo)體之前，我們先考慮一下為什么需要它們。首先：電源轉(zhuǎn)換無處不在。而且它不僅發(fā)生在小型插座充電器內(nèi)，為智能手機、平板電腦、筆記本電腦和無數(shù)其他設(shè)備供電。

電源轉(zhuǎn)換，是指將可用電力轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備產(chǎn)品發(fā)揮功能所需的形式。在轉(zhuǎn)換過程中總會有一些能量損失，因為有些電子設(shè)備是連續(xù)運行的，所以節(jié)省的能量將是巨大的。想想看：自1980年以來，即使美國加州的經(jīng)濟總量飆升，該州的電力消耗也基本保持平穩(wěn)。需求保持平穩(wěn)的最重要的一個原因是，在此期間冰箱和空調(diào)的效率大幅提高。實現(xiàn)這一改進(jìn)的最主要因素是使用了基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的無極變速器和其他大幅提高效率的電力電子器件。

碳化硅和氮化鎵將大大減少溫室氣體排放。根據(jù)氮化鎵器件公司Transphorm（我作為聯(lián)合創(chuàng)始人在2007年建立）對公開數(shù)據(jù)的分析，到2041年，僅在美國和印度，基于氮化鎵的技術(shù)就可以減少超過10億噸的溫室氣體。該結(jié)論所基于的數(shù)據(jù)來自國際能源署、Statista等。該分析還表明，這兩個國家在2041年將節(jié)省1400太瓦時的能源，約相當(dāng)于預(yù)計能源消耗量的10%到15%。

像普通晶體管一樣，功率晶體管可以作為放大器或開關(guān)設(shè)備。無線基站將放大信號傳輸給智能手機，就是放大作用的典型體現(xiàn)。在世界各地，用于制造這些放大器晶體管的半導(dǎo)體正在從一種被稱為“橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體”（LDMOS）的硅技術(shù)轉(zhuǎn)向氮化鎵。這項新技術(shù)有許多優(yōu)勢，例如，根據(jù)頻率的不同，功率效率可提高10%或更多。另一方面，在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，晶體管充當(dāng)?shù)氖情_關(guān)而不是放大器。這項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)被稱為“脈寬調(diào)制”。例如，在普通類型的電機控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機轉(zhuǎn)子上的線圈。這些脈沖建立起一個磁場，與電機定子的磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的速度可通過改變脈沖的長度來控制：這些脈沖圖形是方波的，脈沖“開”（而不是“關(guān)”）的時間越長，電機的旋轉(zhuǎn)速度和扭矩就越大。功率晶體管可實現(xiàn)開關(guān)切換功能。

脈寬調(diào)制也用于開關(guān)電源，這是功率轉(zhuǎn)換最常見的例子之一。幾乎所有運行在直流電上的個人電腦、移動設(shè)備和電器都使用開關(guān)電源供電。基本上，輸入的交流電壓被轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后該直流電壓被“剁”成高頻交流方波。“剁”是由功率晶體管完成的，它通過開關(guān)直流電壓產(chǎn)生方波，將方波作用在變壓器上，變壓器改變波的振幅，產(chǎn)生所需的輸出電壓。為了獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出，要對變壓器輸出的電壓進(jìn)行整流和濾波。

這里最重要的一點是，功率晶體管的特性幾乎完全決定了脈寬調(diào)制電路的性能，因此也決定了調(diào)節(jié)電壓控制器的效率。理想的功率晶體管在關(guān)斷狀態(tài)下，即使施加的電壓很高，也能夠完全阻斷電流。這一特性被稱為“高擊穿場強”，它表明半導(dǎo)體能夠承受多大的電壓。另一方面，當(dāng)它處于導(dǎo)通狀態(tài)時，這種理想晶體管對電流流動的阻礙很小。這一特性源于半導(dǎo)體晶格中電荷（電子和空穴）的高遷移率。我們可以把擊穿場強和電荷遷移率想象成功率半導(dǎo)體的陰陽兩極。

與被取代的硅半導(dǎo)體相比，氮化鎵和碳化硅更接近這個理想狀態(tài)。首先來看一下?lián)舸﹫鰪姟５壓吞蓟瓒紝儆趯拵栋雽?dǎo)體。半導(dǎo)體的帶隙被定義為半導(dǎo)體晶格中的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量，單位為電子伏特。價帶中的電子在晶格中參與原子鍵合，而導(dǎo)帶中的電子在晶格中可以自由移動，形成導(dǎo)電。

在具有寬帶隙的半導(dǎo)體中，原子之間鍵的聯(lián)結(jié)力很強，該材料通常能夠承受相對較高的電壓，直至鍵斷裂，晶體管被稱為擊穿。硅的帶隙是1.12電子伏特，相比之下，氮化鎵的帶隙是3.40電子伏特。對于最常見類型的碳化硅，帶隙為3.26電子伏特。

現(xiàn)在再看看遷移率，它的單位是平方厘米/伏秒（cm2/V?s）。遷移率和電場的乘積為電子的速度，對于給定數(shù)量的移動電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對于硅，這個數(shù)字是1450；對于碳化硅，大約是950；而對于氮化鎵來說，大約是2000。正是因為氮化鎵的數(shù)值非同尋常地高，它不僅可應(yīng)用于電源轉(zhuǎn)換，還可用于微波放大器。氮化鎵晶體管可以放大頻率高達(dá)100千兆赫的信號，比通常認(rèn)為的硅橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體的最高頻率（3至4千兆赫）還要高。作為參考，5G的毫米波頻率最高為52.6千兆赫。這個最高的5G頻段還沒有得到廣泛使用；然而，高達(dá)75千兆赫的頻率正被部署在碟形天線間通信中，研究人員現(xiàn)在正在研究高達(dá)140千兆赫的頻率，將其用于室內(nèi)通信。對帶寬的需求永不滿足。

這些性能數(shù)據(jù)很重要，但它們不是在任何特定應(yīng)用中比較氮化鎵和碳化硅的唯一標(biāo)準(zhǔn)。其他關(guān)鍵因素還有器件及其集成系統(tǒng)的易用性和成本。這些因素共同說明了每一類半導(dǎo)體在哪里開始取代硅，以及取代的原因（見下圖“氮化鎵和碳化硅的競爭戰(zhàn)場”）。對于未來的競爭結(jié)果，它們也提供了強有力的線索。

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的一大優(yōu)勢是與傳統(tǒng)硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管相似，甚至封裝也一樣。碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的工作方式與普通硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基本相同，有一個源極、一個柵極和一個漏極。當(dāng)設(shè)備開啟時，電子

從重?fù)诫sn型源極流過輕摻雜體區(qū)，然后通過導(dǎo)電基板“漏出”。這種相似性意味著轉(zhuǎn)換到碳化硅時，工程師只需要曲度很小的學(xué)習(xí)曲線。

與氮化鎵相比，碳化硅具有其他優(yōu)勢。碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管本質(zhì)上屬于“故障時自動開路”設(shè)備，這意味著若控制電路因任何原因發(fā)生故障，晶體管將停止傳導(dǎo)電流。這是一個重要的功能，因為這個特性極大地消除了故障導(dǎo)致短路和火災(zāi)或爆炸的可能性。（然而，這個功能的代價是電子遷移率較低，增大了設(shè)備開啟時的電阻。）

氮化鎵有自己的獨特優(yōu)勢。2000年，半導(dǎo)體首次在發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器市場上立足。它是第一種能夠可靠地發(fā)出明亮的綠色、藍(lán)色、紫色和紫外光的半導(dǎo)體。但早在光電子學(xué)取得這項商業(yè)突破之前，我和其他研究人員就已經(jīng)演示了氮化鎵在高功率電子產(chǎn)品上的應(yīng)用前景。因為填補了高效照明的空白，氮化鎵 LED很快流行起來。

氮化鎵的主要優(yōu)勢在于其極高的電子遷移率。電流，即電荷的流動，等于電荷的濃度乘以其速度。所以，如果濃度高或速度快或兩者皆有，就可以得到高電流。氮化鎵晶體管之所以不同尋常，是因為在該器件中大部分電流的流動是由于電子速度而不是電荷濃度。在實踐中，這意味著與硅或碳化硅相比，打開或關(guān)閉器件時需要較少的電荷流入設(shè)備，進(jìn)而減少了每個開關(guān)周期所需的能量，可提高效率。

同時，氮化鎵的高電子遷移率可以實現(xiàn)50伏/納秒的開關(guān)速度。這一特性意味著基于氮化鎵晶體管的電源轉(zhuǎn)換器可以在數(shù)百千赫的頻率下高效工作，而硅或碳化硅的工作頻率在100千赫。

綜合來看，高效率和高頻率使得基于氮化鎵器件的電源轉(zhuǎn)換器可以變得非常小且輕：高效率意味著更小的散熱器，并且在高頻下工作意味著電感器和電容器也可以非常小。

氮化鎵半導(dǎo)體的一個缺點是它們還沒有可靠的絕緣技術(shù)。如果控制電路發(fā)生故障，無法自動斷路，這增加了設(shè)備故障保護裝置的設(shè)計復(fù)雜性。

有兩種方案可以實現(xiàn)這種常閉特性。一種是給晶體管配備一個柵極，當(dāng)沒有電壓施加到柵極時，這種柵極可以消除溝道中的電荷，只有在向柵極施加正電壓時才傳導(dǎo)電流。這些被稱為“增強型器件”。

另一種方案被稱為“共源共柵解決方案”。它使用一個獨立的低損耗硅場效應(yīng)晶體管為氮化鎵晶體管提供故障保護功能。

如果不考慮成本，那么對半導(dǎo)體的比較是不完整的。粗略的經(jīng)驗法則是，晶粒尺寸越小，成本越低。晶粒尺寸也就是集成電路包含器件的實際面積。

現(xiàn)在，碳化硅器件的晶粒通常比氮化鎵器件的晶粒更小。然而，碳化硅的基板和制造成本要高于氮化鎵，并且一般來說，用于5千瓦及更高功率的最終器件成本如今沒有太大不同。然而，未來的趨勢很可能有利于氮化鎵。我認(rèn)為氮化鎵器件相對簡單，這意味著生產(chǎn)成本可以足夠低，從而克服晶粒尺寸大的不足。

也就是說，對于許多高電壓、大功率的應(yīng)用，氮化鎵必須是低成本、高性能、額定電壓達(dá)到1200伏的器件。

了解了這些相對優(yōu)點和缺點，我們再來逐一看看各個應(yīng)用，并說明未來可能將如何發(fā)展。

電動汽車逆變器和轉(zhuǎn)換器：

2017年，特斯拉采用了碳化硅車載或牽引逆變器，這是碳化硅半導(dǎo)體的早期和重大勝利。在電動汽車中，牽引逆變器將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換成用于電機的交流電。逆變器還通過改變交變電流的頻率來控制電機的速度。電動汽車牽引逆變器的功率范圍一般在約為35至100千瓦（小型電動車）或400千瓦左右（大型電動車）。

然而，認(rèn)為碳化硅贏得這場比賽還為時過早。正如我所提到的，為了打入這個市場，氮化鎵供應(yīng)商必須提供1200伏的器件。電動汽車的電動系統(tǒng)現(xiàn)在通常只在400伏下運行。我預(yù)計將在2025年看到第一批商用的1200伏氮化鎵晶體管。這些器件不僅將用于汽車，還將用于公共快速電動汽車充電器。

氮化鎵的高速開關(guān)性能將是電動汽車逆變器的一個強大優(yōu)勢，因為這些開關(guān)采用了所謂的“硬開關(guān)技術(shù)”。在這里，提高性能的方法是快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，盡可能縮短器件承受高電壓和通過高電流的時間。

除了逆變器之外，電動汽車通常還帶有車載充電器，可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，使車輛能夠用墻上（市電）電流充電。與選擇氮化鎵逆變器的原因相同，在這種場景中，氮化鎵也非常有吸引力。

電網(wǎng)應(yīng)用：

至少在未來十年，額定電壓為3千伏及以上的設(shè)備的超高壓電力轉(zhuǎn)換仍將以碳化硅為主導(dǎo)。這些應(yīng)用包括電網(wǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)、以傳輸級電壓進(jìn)行AC/DC和DC/AC 轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，以及其他用途。

手機、平板電腦和筆記本電腦充電器：

從2019年開始，氮化鎵系統(tǒng)、英諾賽科、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基于氮化鎵的墻上充電器。氮化鎵的高開關(guān)速度、通常較低的成本，以及小尺寸和穩(wěn)定的供應(yīng)鏈?zhǔn)蛊涑蔀榈凸β适袌觯?5至500瓦）的主流產(chǎn)品。這些早期氮化鎵電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高達(dá)300千赫，效率超過92%。它們創(chuàng)下的功率密度紀(jì)錄高達(dá)30瓦/立方英寸（1.83瓦/立方厘米），大約是正被在取代的硅基充電器密度的2倍。

太陽能微型逆變器：

近年來，太陽能發(fā)電在電網(wǎng)級和分布式（家庭）應(yīng)用方面取得了成功。安裝太陽能發(fā)電裝置時都需要一個逆變器來將太陽能板的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為家庭供電或?qū)㈦娔茚尫诺诫娋W(wǎng)。目前，硅絕緣柵雙極型晶體管和碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管主導(dǎo)著電網(wǎng)級光伏逆變器，但氮化鎵將開始進(jìn)軍分布式太陽能市場。

傳統(tǒng)上，在這些分布式裝置中，所有太陽能板只有一個逆變器箱。但是越來越多的安裝者喜歡在系統(tǒng)中為每個面板配一個單獨的微型逆變器，在給家里供電或給電網(wǎng)送電之前，先將交流電合并在一起。這種設(shè)置意味著系統(tǒng)可以監(jiān)控每個面板的運行，優(yōu)化整個陣列的性能。

微型逆變器或傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。它們與電池相結(jié)合，構(gòu)成了防止停電的不間斷電源。此外，所有數(shù)據(jù)中心都使用功率因數(shù)校正電路，它可以調(diào)整電源的交流波形，提高效率并防止損壞設(shè)備。對于這些，氮化鎵提供了一種低損耗且經(jīng)濟的解決方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站：

氮化鎵卓越的速度和高功率密度將能夠贏得并最終主導(dǎo)微波領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是5G、6G無線以及商用和軍用雷達(dá)。這方面的主要競爭對手是硅橫向擴散金屬氧化物半導(dǎo)體器件陣列，它們價格較低，但性能不高。事實上，在4千兆赫及以上的頻率上，氮化鎵沒有真正的競爭對手。

對于5G和6G無線，關(guān)鍵參數(shù)是帶寬，因為它決定了硬件能夠有效傳輸?shù)?a target="_blank">信息量。下一代5G系統(tǒng)將擁有近1千兆赫的帶寬，支持高速視頻和其他應(yīng)用。

使用硅絕緣技術(shù)的微波通信系統(tǒng)提供了一種5G+解決方案，其中使用高頻硅器件陣列解決單個器件的低輸出功率問題。氮化鎵和硅將在這一領(lǐng)域共存一段時間。具體應(yīng)用的贏家將由系統(tǒng)架構(gòu)、成本和性能之間的權(quán)衡決定。

當(dāng)下，碳化硅在電動汽車逆變器領(lǐng)域，以及電壓阻斷能力和功率處理通常至關(guān)重要且頻率較低的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。對于關(guān)注高頻性能的應(yīng)用，氮化鎵是首選技術(shù)，例如5G和6G基站，以及雷達(dá)和高頻電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用（如插座適配器、微型逆變器和電源設(shè)備）等。

但氮化鎵和碳化硅的拉鋸戰(zhàn)才剛剛開始。不管競爭如何進(jìn)行，隨著一個應(yīng)用接一個應(yīng)用、一個市場接一個市場地鋪開，我們可以肯定地說，地球環(huán)境將是贏家。隨著這一新的技術(shù)更新和復(fù)興周期不可阻擋地向前發(fā)展，未來幾年將減少數(shù)十億噸溫室氣體排放。

審核編輯：劉清