氮化鎵和碳化矽正在爭奪主導地位，它們將減少數十億噸溫室瓦斯排放。
先進的半導體能減少溫室瓦斯排放，在遏制氣候變遷的鬥爭中發揮重要作用嗎？答案是非常肯定的。這種變化實際上正在發生。
大約從2001年開始，化合物半導體氮化鎵引發了一場照明革命，從某些方面來看，這是人類歷史上最快的技術變革。根據國際能源署的一項研究，僅在短短20年內，氮化鎵（GaN）基發光二極體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最近預測，未來7年，LED照明將使得全球照明用電減少30%至40%。根據聯合國環境署的數據，照明約占全球電力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。
這場革命還遠未結束。事實上，它即將躍上一個新台階。正是氮化鎵改變了照明行業的半導體技術，為加速電力電子革命貢獻了力量。在龐大且重要的電力電子產品類別中，有兩種半導體正在逐漸取代矽基電子產品，氮化鎵是其中之一,另一種則是碳化矽（SiC）。
氮化鎵和碳化矽器件的效能和效率均優於它們正在取代的矽器件。全世界有數十億個這樣的器件，其中許多每天執行數小時，可節省大量能源。與用氮化鎵LED取代白熾燈和其他傳統照明裝置相比，氮化鎵和碳化矽電力電子產品的興起，最終將對地球氣候產生更大的積極影響。
事實上，凡是需要交流電與直流電轉換的地方，電力的浪費都會減少。手機和膝上型電腦的插座充電器、電動汽車充電的大型充電器和逆變器等都有這種轉換。其他矽產品轉換為新型半導體，類似的節約效應也將得到體現。這些新興半導體在無線基站放大器等很多套用中都有明顯優勢，套用範圍不斷擴大。在減緩氣候變遷方面，消除電力浪費是比較容易實作的，而這些半導體就是我們實作這一目標的途徑。
這是科技史上一種常見模式的新例項：兩項相互競爭的創新在同一時間成熟。這將如何分出勝負呢？碳化矽將在哪些套用中占據主導地位，而氮化鎵又將在哪些套用中流行？仔細觀察這兩種半導體的相對優勢，我們可以獲得一些可靠的線索。
在討論半導體之前， 我們先考慮一下為什麽需要它們。首先：電源轉換無處不在。而且它不僅發生在小型插座充電器內，為智慧型手機、平板電腦、膝上型電腦和無數其他裝置供電。
電源轉換，是指將可用電力轉換為電子裝置產品發揮功能所需的形式。在轉換過程中總會有一些能量損失，因為有些電子裝置是連續執行的，所以節省的能量將是巨大的。想想看：自1980年以來，即使美國加州的經濟總量飆升，該州的電力消耗也基本保持平穩。需求保持平穩的最重要的一個原因是，在此期間冰箱和空調的效率大幅提高。實作這一改進的最主要因素是使用了基於絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的無極變速器和其他大幅提高效率的電力電子器件。
碳化矽和氮化鎵將大大減少溫室瓦斯排放。根據氮化鎵器件公司Transphorm（我作為聯合創始人在2007年建立）對公開數據的分析，到2041年，僅在美國和印度，基於氮化鎵的技術就可以減少超過10億噸的溫室瓦斯。該結論所基於的數據來自國際能源署、Statista等。該分析還表明，這兩個國家在2041年將節省1400太瓦時的能源，約相當於預計能源消耗量的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裝置。無線基站將放大訊號傳輸給智慧型手機，就是放大作用的典型體現。在世界各地，用於制造這些放大器晶體管的半導體正在從一種被稱為「橫向擴散金氧半導體」（LDMOS）的矽技術轉向氮化鎵。這項新技術有許多優勢，例如，根據頻率的不同，功率效率可提高10%或更多。另一方面，在電源轉換套用中，晶體管充當的是開關而不是放大器。這項標準技術被稱為「脈寬調變」。例如，在普通型別的電機控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機轉子上的線圈。這些脈沖建立起一個磁場，與電機定子的磁場交互作用，使轉子旋轉。旋轉的速度可透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」）的時間越長，電機的旋轉速度和扭矩就越大。功率晶體管可實作開關切換功能。
脈寬調變也用於開關電源，這是功率轉換最常見的例子之一。幾乎所有執行在直流電上的個人電腦、行動裝置和電器都使用開關電源供電。基本上，輸入的交流電壓被轉換成直流電壓，然後該直流電壓被「剁」成高頻交流方波。「剁」是由功率晶體管完成的，它透過開關直流電壓產生方波，將方波作用在變壓器上，變壓器改變波的振幅，產生所需的輸出電壓。為了獲得穩定的直流電壓輸出，要對變壓器輸出的電壓進行整流和濾波。
這裏最重要的一點是，功率晶體管的特性幾乎完全決定了脈寬調變電路的效能，因此也決定了調節電壓控制器的效率。理想的功率晶體管在關斷狀態下，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」，它表明半導體能夠承受多大的電壓。另一方面，當它處於導通狀態時，這種理想晶體管對電流流動的阻礙很小。這一特性源於半導體晶格中電荷（電子和電洞）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體的陰陽兩極。
與被取代的矽半導體相比，氮化鎵和碳化矽更接近這個理想狀態。首先來看一下擊穿場強。氮化鎵和碳化矽都屬於寬頻隙半導體。半導體的帶隙被定義為半導體晶格中的電子從價帶躍遷到導帶所需的能量，單位為電子伏特。價帶中的電子在晶格中參與原子鍵合，而導帶中的電子在晶格中可以自由移動，形成導電。
在具有寬頻隙的半導體中，原子之間鍵的聯結力很強，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。矽的帶隙是1.12電子伏特，相比之下，氮化鎵的帶隙是3.40電子伏特。對於最常見型別的碳化矽，帶隙為3.26電子伏特。
現在再看看遷移率，它的單位是平方厘米/伏秒（cm2/Vs）。遷移率和電場的乘積為電子的速度，對於給定數量的移動電荷，速度越高，攜帶的電流越大。對於矽，這個數位是1450；對於碳化矽，大約是950；而對於氮化鎵來說，大約是2000。正是因為氮化鎵的數值非同尋常地高，它不僅可套用於電源轉換，還可用於微波放大器。氮化鎵晶體管可以放大頻率高達100千兆赫的訊號，比通常認為的矽橫向擴散金氧半導體的最高頻率（3至4千兆赫）還要高。作為參考，5G的公釐波頻率最高為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75千兆赫的頻率正被部署在碟形天線間通訊中，研究人員現在正在研究高達140千兆赫的頻率，將其用於室內通訊。對頻寬的需求永不滿足。
這些效能數據很重要，但它們不是在任何特定套用中比較氮化鎵和碳化矽的唯一標準。其他關鍵因素還有器件及其整合系統的易用性和成本。這些因素共同說明了每一類半導體在哪裏開始取代矽，以及取代的原因（見下圖「氮化鎵和碳化矽的競爭戰場」）。對於未來的競爭結果，它們也提供了強有力的線索。
第一款在商業上可行並優於矽的碳化矽晶體管是Cree公司（現在的Wolfspeed）在2011年推出的。 它可以抵抗1200伏的電壓，並且傳導電流的電阻相當低，僅為80毫歐。今天，市面上有3種不同的碳化矽晶體管：羅姆半導體集團的溝槽型金氧半導體場效應晶體管（MOSFET）；英飛淩、安森美半導體公司、意法半導體公司、Wolfspeed公司和其他公司的雙擴散金氧半導體（DMOS）；來自Qorvo的垂直結場效應晶體管。
碳化矽金氧半導體場效應晶體管的一大優勢是與傳統矽金氧半導體場效應晶體管相似，甚至封裝也一樣。碳化矽金氧半導體場效應晶體管的工作方式與普通矽金氧半導體場效應晶體管基本相同，有一個源極、一個柵極和一個漏極。當裝置開啟時，電子從重摻雜n型源極流過輕摻雜體區，然後透過導電基板「漏出」。這種相似性意味著轉換到碳化矽時，工程師只需要曲度很小的學習曲線。
與氮化鎵相比，碳化矽具有其他優勢。碳化矽金氧半導體場效應晶體管本質上屬於「故障時自動開路」裝置，這意味著若控制電路因任何原因發生故障，晶體管將停止傳導電流。這是一個重要的功能，因為這個特性極大地消除了故障導致短路和火災或爆炸的可能性。（然而，這個功能的代價是電子遷移率較低，增大了裝置開啟時的電阻。）
氮化鎵有自己的獨特優勢。2000年，半導體首次在發光二極體和半導體雷射器市場上立足。它是第一種能夠可靠地發出明亮的綠色、藍色、紫色和紫外光的半導體。但早在光電子學取得這項商業突破之前，我和其他研究人員就已經演示了氮化鎵在高功率電子產品上的套用前景。因為填補了高效照明的空白，氮化鎵 LED很快流行起來。但是用於電子產品的氮化鎵必須證明自己優於現有技術：特別是英飛淩用於電力電子產品的矽CoolMOS晶體管，以及用於射頻電子產品的矽橫向擴散金氧半導體和砷化鎵晶體管。
氮化鎵的主要優勢在於其極高的電子遷移率。電流，即電荷的流動，等於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份電流的流動是由於電子速度而不是電荷濃度。在實踐中，這意味著與矽或碳化矽相比，開啟或關閉器件時需要較少的電荷流入裝置，進而減少了每個開關周期所需的能量，可提高效率。
同時，氮化鎵的高電子遷移率可以實作50伏/納秒的開關速度。這一特性意味著基於氮化鎵晶體管的電源轉換器可以在數百千赫的頻率下高效工作，而矽或碳化矽的工作頻率在100千赫。
綜合來看，高效率和高頻率使得基於氮化鎵器件的電源轉換器可以變得非常小且輕：高效率意味著更小的散熱器，並且在高頻下工作意味著電感器和電容器也可以非常小。
氮化鎵半導體的一個缺點是它們還沒有可靠的絕緣技術。如果控制電路發生故障，無法自動斷路，這增加了裝置故障保護裝置的設計復雜性。
有兩種方案可以實作這種常閉特性。一種是給晶體管配備一個柵極，當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電流。這些被稱為「增強型器件」。它們的提供商有EPC、氮化鎵系統公司、英飛淩、英諾賽科和納微等（見下圖「增強型氮化鎵晶體管」）。
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矽場效應晶體管為氮化鎵晶體管提供故障保護功能。Power Integrations、德州儀器和Transphorm都使用這種共源共柵解決方案（見下圖「共源共柵耗盡型氮化鎵晶體管」）。
如果不考慮成本，那麽對半導體的比較是不完整的。粗略的經驗法則是，晶粒尺寸越小，成本越低。晶粒尺寸也就是積體電路包含器件的實際面積。
現在，碳化矽器件的晶粒通常比氮化鎵器件的晶粒更小。然而，碳化矽的基板和制造成本要高於氮化鎵，並且一般來說，用於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於氮化鎵。我認為氮化鎵器件相對簡單，這意味著生產成本可以足夠低，從而克服晶粒尺寸大的不足。
也就是說，對於許多高電壓、大功率的套用，氮化鎵必須是低成本、高效能、額定電壓達到1200伏的器件。畢竟，在這一電壓下已經有碳化矽晶體管可用。目前，最接近的商用氮化鎵晶體管的額定電壓為900伏，由總部位於加州戈利塔的Transphorm公司生產，該公司是我與普賴米特帕瑞克（Primit Parikh）共同創立的。最近，我們還演示了在藍寶石基板上制造的1200伏器件，其電氣和熱效能與碳化矽器件相當。
根據研究公司Omdia對1200伏碳化矽金氧半導體場效應晶體管的預測，2025年其價格為16美分/安培。我估計，由於氮化鎵基板的成本更低，2025年第一代1200伏氮化鎵晶體管的價格將低於同級別的碳化矽晶體管。當然，這只是我的看法；再過幾年，我們將明確知道它們的結果。
了解了這些相對優點和缺點， 我們再來逐一看看各個套用，並說明未來可能將如何發展。
電動汽車逆變器和轉換器： 2017年，特斯拉Model 3采用了碳化矽車載或牽引逆變器，這是碳化矽半導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換成用於電機的交流電。逆變器還透過改變交變電流的頻率來控制電機的速度。據新聞報道，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors目前也在采用碳化矽逆變器，其他電動汽車制造商也計劃在即將推出的車型中使用碳化矽。這些碳化矽器件由英飛淩、安森美、羅姆、Wolfspeed等公司提供。電動汽車牽引逆變器的功率範圍一般在約為35至100千瓦（小型電動車）或400千瓦左右（大型電動車）。
然而，認為碳化矽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，氮化鎵供應商必須提供1200伏的器件。電動汽車的電動系統現在通常只在400伏下執行，但保時捷Taycan擁有800伏的系統，奧迪、現代和起亞的電動汽車也是如此。其他汽車制造商預計將在未來幾年效仿它們的做法。（Lucid Air有一個900伏的系統。）我預計將在2025年看到第一批商用的1200伏氮化鎵晶體管。這些器件不僅將用於汽車，還將用於公共快速電動汽車充電器。
氮化鎵的高速開關效能將是電動汽車逆變器的一個強大優勢，因為這些開關采用了所謂的「硬開關技術」。在這裏，提高效能的方法是快速開關轉換，盡可能縮短器件承受高電壓和透過高電流的時間。
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，氮化鎵也非常有吸重力。
電網套用： 至少在未來十年，額定電壓為3千伏及以上的裝置的超高壓電力轉換仍將以碳化矽為主導。這些套用包括電網穩定系統、以傳輸級電壓進行AC/DC和DC/AC 轉換的系統，以及其他用途。
手機、平板電腦和膝上型電腦充電器： 從2019年開始，氮化鎵系統、英諾賽科、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基於氮化鎵的墻上充電器。氮化鎵的高開關速度、通常較低的成本，以及小尺寸和穩定的供應鏈使其成為低功率市場（25至500瓦）的主流產品。這些早期氮化鎵電源轉換器的開關頻率高達300千赫，效率超過92%。它們創下的功率密度紀錄高達30瓦/立方英寸（1.83瓦/立方厘米），大約是正被在取代的矽基充電器密度的2倍。
太陽能微型 逆變 器： 近年來，太陽能發電在電網級和分布式（家庭）套用方面取得了成功。安裝太陽能發電裝置時都需要一個逆變器來將太陽能板的直流電轉換成交流電，為家庭供電或將電能釋放到電網。目前，矽絕緣柵雙極型晶體管和碳化矽金氧半導體場效應晶體管主導著電網級光伏逆變器，但氮化鎵將開始進軍分布式太陽能市場。
傳統上，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中為每個面板配一個單獨的微型逆變器，在給家裏供電或給電網送電之前，先將交流電合並在一起。這種設定意味著系統可以監控每個面板的執行，最佳化整個陣列的效能。
微型逆變器或傳統逆變器系統對現代數據中心至關重要。它們與電池相結合，構成了防止停電的不間斷電源。此外，所有數據中心都使用功率因數校正電路，它可以調整電源的交流波形，提高效率並防止損壞裝置。對於這些，氮化鎵提供了一種低損耗且經濟的解決方案，正在慢慢取代矽。
5G和6G基站： 氮化鎵卓越的速度和高功率密度將能夠贏得並最終主導微波領域的套用，特別是5G、6G無線以及商用和軍用雷達。這方面的主要競爭對手是矽橫向擴散金氧半導體器件陣列，它們價格較低，但效能不高。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。
對於5G和6G無線，關鍵參數是頻寬，因為它決定了硬體能夠有效傳輸的資訊量。下一代5G系統將擁有近1千兆赫的頻寬，支持高速視訊和其他套用。
使用矽絕緣技術的微波通訊系統提供了一種5G+解決方案，其中使用高頻矽器件陣列解決單個器件的低輸出功率問題。氮化鎵和矽將在這一領域共存一段時間。具體套用的贏家將由系統架構、成本和效能之間的權衡決定。
雷達： 美國軍方正在部署許多基於氮化鎵電子裝置的地面雷達系統。其中包括面向地面/空中任務的雷達，以及由諾斯羅普格魯曼公司為美國海軍陸戰隊建造的有源電子掃描陣列雷達。雷神公司的SPY6雷達已交付給美國海軍，並於2022年12月進行了首次海上測試，該系統大大擴充套件了艦載雷達的作用範圍並提高了靈敏度。
當下，碳化矽在電動汽車逆變器領域，以及電壓阻斷能力和功率處理通常至關重要且頻率較低的套用中占據主導地位。對於關註高頻效能的套用，氮化鎵是首選技術，例如5G和6G基站，以及雷達和高頻電力轉換套用（如插座介面卡、微型逆變器和電源裝置）等。
但氮化鎵和碳化矽的拉鋸戰才剛剛開始。不管競爭如何進行，隨著一個套用接一個套用、一個市場接一個市場地鋪開，我們可以肯定地說，地球環境將是贏家。隨著這一新的技術更新和復興周期不可阻擋地向前發展，未來幾年將減少數十億噸溫室瓦斯排放。
文章來源於悅智網，作者Umesh K. Mishra
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