SiC和GaN，戰斗才剛剛開始

半導體行業觀察|其他|other else|

2023-03-27 10:21:19 576

從2001年左右開始，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，在短短二十年內，基于氮化鎵的發光二極管在全球照明市場中的份額已從零增長到超過50%。研究公司 Mordor Intelligence 最近預測，在全球范圍內，LED 照明將在未來七年內將照明用電量減少30%至40%。根據聯合國環境規劃署的數據，在全球范圍內，照明約占用電量的20%和二氧化碳排放量的6% 。

每個晶圓都包含數百個最先進的功率晶體管

這場革命遠未結束。確實，它即將躍升至更高的層次。改變了照明行業的半導體技術氮化鎵 (GaN) 也是電力電子革命的一部分，這場革命正在蓄勢待發。因為化合物半導體中的一種——碳化硅 (SiC)——已經開始在巨大而重要的電力電子領域取代硅基電子產品。

GaN和SiC器件比它們正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全*有數以億計的此類設備，其中許多每天運行數小時，因此節省的能源將是巨大的。與GaN LED取代白熾燈和其他傳統照明相比，GaN和SiC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。

幾乎所有必須將交流電轉換為直流電或將直流電轉換為直流電的地方，浪費的功率都會減少。這種轉換發生在手機或筆記本電腦的壁式充電器、為電動汽車供電的更大的充電器和逆變器以及其他地方。隨著其他硅據點也落入新半導體，將會有類似的節省。無線基站放大器是不斷增長的應用之一，這些新興半導體在這些應用中顯然具有優勢。在減緩氣候變化的努力中，消除功耗浪費是唾手可得的成果，而這些半導體正是我們收獲它的方式。

這是技術史上常見模式的新實例：兩項相互競爭的創新同時取得成果。這一切將如何擺脫？SiC將在哪些應用領域占據主導地位，而GaN將在哪些領域占據主導地位？認真審視這兩種半導體的相對優勢可以為我們提供一些可靠的線索。

為什么電力轉換在氣候計算中很重要

在我們了解半導體本身之前，讓我們首先考慮一下我們為什么需要它們。首先：電源轉換無處不在。它遠遠超出了為我們的智能手機、平板電腦、筆記本電腦和無數其他小工具供電的小型壁式充電器。

電力轉換是將電力從可用形式轉變為產品執行其功能所需形式的過程。在這種轉換中總會損失一些能量，并且由于其中一些產品持續運行，因此可以節省大量能源。回想一下：盡管加州的經濟產出猛增，但自1980年以來，該州的電力消耗基本持平。需求保持平穩的最重要原因之一是冰箱和空調的效率在此期間大幅提高。這一改進中最重要的一個因素是使用基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 和其他電力電子設備的變速驅動器，從而大大提高了效率。

氮化鎵和碳化硅：它們的競爭領域

在高壓功率晶體管市場，氮化鎵器件在400伏左右以下的應用中占據主導地位，而碳化硅現在在800伏及以上的應用中具有優勢（2000伏左右以上的市場相對較小）。隨著GaN器件的改進，400至1,000V之間的重要戰場格局將發生變化。例如，隨著1,200V GaN晶體管的推出（預計在2025年推出），電動汽車逆變器這個最重要的市場將加入這場戰斗。

SiC和GaN將大大減少排放。根據2007年創立的GaN器件公司Transphorm對公開數據的分析，到2041年，僅基于GaN的技術就可以在美國和印度減少超過10億噸的溫室氣體排放。數據來自國際能源署、Statista 和其他來源。相同的分析表明可節省1,400太瓦時的能源，即兩國當年預計能源消耗的10%至15%。

寬帶隙的優勢

與普通晶體管一樣，功率晶體管可以充當放大設備或開關。放大作用的一個重要例子是無線基站，它放大信號以傳輸到智能手機。在全*，用于制造這些放大器中的晶體管的半導體正在從稱為橫向擴散金屬氧化物半導體 (LDMOS) 的硅技術轉向 GaN。新技術具有許多優勢，包括能效提高 10%或更多取決于頻率。另一方面，在功率轉換應用中，晶體管充當開關而不是放大器。標準技術稱為脈寬調制。例如，在常見類型的電機控制器中，直流電脈沖被饋送到安裝在電機轉子上的線圈。這些脈沖建立了一個磁場，該磁場與電機定子的磁場相互作用，從而使轉子旋轉。這種旋轉的速度是通過改變脈沖的長度來控制的：這些脈沖的圖形是一個方波，脈沖“開”而不是“關”的時間越長，電機提供的轉速和扭矩就越大。功率晶體管完成開關。

脈寬調制也用于開關電源，這是最常見的電源轉換示例之一。開關電源是為幾乎所有以直流電運行的個人電腦、移動設備和電器供電的類型。基本上，輸入的交流電壓被轉換為直流，然后該直流被“斬波”為高頻交流方波。這種斬波是由功率晶體管完成的，它通過打開和關閉直流電來產生方波。方波被施加到變壓器，變壓器改變波的幅度以產生所需的輸出電壓。為了獲得穩定的直流輸出，來自變壓器的電壓經過整流和濾波。

這里的重點是，功率晶體管的特性幾乎完全決定了電路執行脈寬調制的能力，因此也決定了控制器調節電壓的效率。理想的功率晶體管在處于關斷狀態時會完全阻斷電流，即使在施加的電壓很高時也是如此。這種特性稱為高電擊穿場強，它表示半導體能夠承受多大的電壓。另一方面，當它處于導通狀態時，這種理想晶體管對電流的流動阻力非常小。這一特征源于半導體晶格內電荷（電子和空穴）的非常高的遷移率。將擊穿場強和電荷遷移率視為功率半導體的陰陽。

與它們所取代的硅半導體相比，GaN和SiC更接近這一理想狀態。首先，考慮擊穿場強。GaN和SiC都屬于寬帶隙半導體。半導體的帶隙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，以電子伏特為單位。價帶中的電子參與晶格內原子的鍵合，而導帶中的電子可以在晶格中自由移動并導電。

在具有寬帶隙的半導體中，原子之間的鍵很強，因此材料通常能夠在鍵斷裂之前承受相對較高的電壓，據說晶體管會損壞。與GaN的3.40eV相比，硅的帶隙為1.12電子伏特。對于最常見的SiC類型，帶隙為3.26eV。[見下表，“Bandgap Menagerie”]

運行速度和阻斷高壓的能力是功率晶體管的兩個最重要的特性。這兩種品質又由用于制造晶體管的半導體材料的關鍵物理參數決定。速度取決于半導體中電荷的遷移率和速度，而電壓阻斷則取決于材料的帶隙和電擊穿場。

現在讓我們看看遷移率，它以平方厘米/伏秒 (cm2/V·s)為單位。遷移率和電場的乘積產生電子的速度，速度越高，對于給定數量的移動電荷，攜帶的電流就越大。對于硅，這個數字是1,450；對于SiC，它約為950；對于GaN，約為2,000。GaN異常高的價值是它不僅可以用于功率轉換應用，還可以用于微波放大器的原因。GaN晶體管可以放大頻率高達100GHz 的信號——遠高于通常被認為是硅LDMOS最大值的3至4GHz。作為參考，5G 的毫米波頻率最高可達52.6GHz。這個最高5G頻段尚未廣泛使用，但是，高達75GHz的頻率正在部署在dish to dish通信中，研究人員現在正在使用高達140GHz 的頻率進行室內通信。對帶寬的需求是無法滿足的。

這些性能數據很重要，但它們并不是針對任何特定應用比較 GaN 和 SiC 的*標準。其他關鍵因素包括設備及其集成系統的易用性和成本。總而言之，這些因素解釋了這些半導體中的每一種在何處以及為何開始取代硅——以及它們未來的競爭可能如何擺脫困境。

SiC 在當今的功率轉換領域*GaN

Cree（現為 Wolfspeed）于2011 年推出了*個商業上可行的優于硅的 SiC 晶體管。它可以阻擋 1,200 伏特，并且在傳導電流時具有80毫歐姆的相當低的電阻。目前市場上存在三種不同類型的SiC晶體管。Rohm有一個溝槽MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）；Infineon Technologies、ON Semiconductor Corp.、STMicroelectronics、Wolfspeed等的 DMOS（雙擴散MOS）；以及Qorvo的垂直結場效應晶體管。

SiC MOSFET的一大優勢是它們與傳統硅 MOSFET 的相似性——甚至封裝也是相同的。SiC MOSFET 的工作方式與普通硅 MOSFET 基本相同。有源極、柵極和漏極。當器件開啟時，電子從重摻雜的 n型源流過輕摻雜的體區，然后通過導電基板“排出”。這種相似性意味著工程師轉向 SiC 的學習曲線很小。

與GaN相比，SiC具有其他優勢。SiC MOSFET 本質上是“fail-open”器件，這意味著如果控制電路因任何原因發生故障，晶體管將停止傳導電流。這是一個重要的特性，因為這個特性在很大程度上消除了故障可能導致短路和火災或爆炸的可能性。（然而，為此功能付出的代價是較低的電子遷移率，這會增加設備開啟時的電阻。）

但是 GaN 正在獲得新關注

GaN帶來了自己獨特的優勢。該半導體于2000年*在發光二極管和半導體激光器市場上實現商業化。它是*個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商業突破之前，研究人員就已經證明了GaN在高功率電子領域的前景。GaN LED迅速*起來，因為它們填補了高效照明的空白。但用于電子產品的GaN必須證明自己優于現有技術：特別是英飛凌用于電力電子產品的硅CoolMOS晶體管，以及用于射頻電子產品的硅 LDMOS 和砷化鎵晶體管。

GaN的主要優勢是其極高的電子遷移率。電流，電荷的流動，等于電荷的濃度乘以它們的速度。因此，由于高濃度或高速度或兩者的某種組合，您可以獲得高電流。GaN晶體管是不尋常的，因為流過該器件的大部分電流是由于電子速度而不是電荷濃度。這在實踐中意味著，與Si或SiC相比，更少的電荷必須流入設備以將其打開或關閉。這反過來又減少了每個開關周期所需的能量并有助于提高效率。

兩種主要類型的氮化鎵晶體管之一稱為增強型器件。它使用一個工作在6伏左右的柵極控制電路來控制主開關電路，當控制電路關閉時，它可以阻斷600伏或更高的電壓。當器件開啟時（當柵極施加6V電壓時），電子在稱為二維電子氣的平坦區域中從漏極流向源極。在這個區域，電子極易移動——這是一個有助于實現非常高開關速度的因素——并且被限制在氮化鋁鎵屏障之下。當設備關閉時，柵極下方的區域會耗盡電子，從而斷開柵極下方的電路并停止電流流動。

同時，GaN的高電子遷移率允許開關速度達到每納秒50伏。該特性意味著基于GaN晶體管的功率轉換器可以在數百千赫茲的頻率下高效運行，而硅或SiC的功率轉換器的頻率約為100千赫茲。

總的來說，高效率和高頻使得基于GaN器件的功率轉換器非常小和輕：高效率意味著更小的散熱器，而在高頻下運行意味著電感器和電容器也可以非常小。

GaN半導體的一個缺點是它們還沒有可靠的絕緣體技術。這使故障安全設備的設計變得復雜。換句話說，如果控制電路發生故障，則故障打開。

有兩種選擇可以實現這種常閉特性。一種方法是為晶體管配備一種柵極，當沒有電壓施加到柵極時，該柵極會去除溝道中的電荷，并且僅在向該柵極施加正電壓時才傳導電流。這些稱為增強模式設備。例如，它們由EPC、GaN Systems、Infineon、Innoscience和Navitas提供。[參見插圖，“增強型-模式GaN晶體管”]

另一個選項稱為共源共柵解決方案。它使用獨立的低損耗硅場效應晶體管為GaN晶體管提供故障安全功能。Power Integrations、Texas Instruments和Transphorm使用了這種共源共柵解決方案。[參見插圖，“級聯耗盡型 GaN 晶體管”]

為了安全起見，當功率晶體管的控制電路發生故障時，它必須失效進入開路狀態，沒有電流流動。這對氮化鎵器件來說是一個挑戰，因為它們缺乏在高壓阻斷狀態和載流狀態下都可靠的柵極絕緣體材料。一種稱為級聯耗盡模式的解決方案使用硅場效應晶體管 (FET) 上的低電壓信號來控制氮化鎵高電子遷移率晶體管上的大得多的電壓 [右上]。如果控制電路出現故障，FET柵極上的電壓將降至零，并且停止傳導電流 [左上圖]。隨著FET不再傳導電流，氮化鎵晶體管也停止傳導，因為組合器件的漏極和源極之間不再存在閉合電路。

如果不考慮成本，任何半導體比較都是不完整的。一個粗略的經驗法則是——die尺寸越小意味著成本越低，die尺寸是包含器件的集成電路的物理面積。

SiC器件現在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而，SiC的襯底和制造成本高于GaN，而且一般來說，5千瓦及更高功率應用的最終器件成本如今相差無幾。不過，未來的趨勢可能有利于GaN。我的這種信念是基于GaN器件的相對簡單性，這意味著生產成本低到足以克服更大的裸片尺寸。

也就是說，要使GaN適用于許多也需要高電壓的大功率應用，它必須具有額定電壓為1,200V的經濟高效的高性能器件。畢竟，在該電壓下已經有可用的SiC晶體管。目前，最接近商用的GaN晶體管的額定電壓為900V。最近,Transphorm還展示了在藍寶石襯底上制造的1,200-V器件，其電氣和熱性能均與SiC器件相當。

研究公司Omdia對1,200-V SiC MOSFET的預測顯示2025年的價格為每安培16美分。據筆者估計，由于GaN襯底的成本較低，2025年*代1,200-V GaN晶體管的價格將低于他們的SiC同行。當然，這只是我的意見；我們都確切地知道這將在幾年內發生什么變化。

GaN 與 SiC的競爭

考慮到這些相對優勢和劣勢，讓我們逐一考慮各個應用程序，并闡明事情可能如何發展。

電動汽車逆變器和轉換器

特斯拉在2017年為其Model 3的車載或牽引逆變器采用SiC，這是該半導體的早期重大勝利。在電動汽車中，牽引逆變器將電池的直流電轉換為電機的交流電。逆變器還通過改變交流電的頻率來控制電機的速度。據新聞報道，如今，梅賽德斯-奔馳和Lucid Motors也在其逆變器中使用SiC，其他電動汽車制造商也計劃在即將推出的車型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供應。EV牽引逆變器的功率范圍通常從小型EV的約35kW到100kW到大型車輛的約400kW。

然而，將這場競賽稱為SiC還為時過早。正如我所指出的，要打入這個市場，GaN供應商必須提供1,200-V的器件。電動汽車電氣系統現在通常僅在400伏電壓下運行，但保時捷Taycan擁有800伏系統，奧迪、現代和起亞的電動汽車也是如此。預計其他汽車制造商將在未來幾年效仿。（Lucid Air有一個 900-V系統。）我希望在2025年看到*個商用1,200-V GaN晶體管。這些設備不僅將用于車輛，還將用于高速公共EV充電器。

GaN可能實現的更高開關速度將成為EV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。在這里，提高性能的方法是非常快速地從打開切換到關閉，以最大限度地減少設備保持高電壓和通過高電流的時間。

除逆變器外，電動汽車通常還配備車載充電器，可通過將交流電轉換為直流電，利用壁（市電）電流為車輛充電。在這里，GaN再次非常有吸引力，原因與使其成為逆變器的理想選擇的原因相同。

電網應用

至少在未來十年內，用于額定電壓為3kV或更高的設備的超高壓電源轉換仍將是SiC的領域。這些應用包括有助于穩定電網、將交流電轉換為直流電并在傳輸級電壓下再次轉換回來的系統，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，GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司開始銷售基于GaN的壁式充電器。

GaN的高開關速度及其普遍較低的成本使其成為低功率市場（25至500W）的主導者，在這些市場中，這些因素以及小尺寸和穩健的供應鏈至關重要。這些早期的GaN功率轉換器具有高達300kHz的開關頻率和超過92%的效率。他們創造了功率密度記錄，數字高達每立方英寸30W（1.83W/cmm3）——大約是他們正在更換的硅基充電器密度的兩倍。

自動化探針系統施加高壓以對晶圓上的功率晶體管進行壓力測試。自動化系統可在幾分鐘內測試大約500個裸片中的每一個。

太陽能微型逆變器

近年來，太陽能發電在電網規模和分布式（家庭）應用中都取得了成功。對于每個安裝，都需要一個逆變器將太陽能電池板的直流電轉換為交流電，為家庭供電或將電能釋放到電網。今天，電網規模的光伏逆變器是硅 IGBT和SiC MOSFET的領域。但GaN將開始進軍分布式太陽能市場，尤其是。

傳統上，在這些分布式安裝中，所有太陽能電池板都有一個逆變器箱。但越來越多的安裝人員更喜歡這樣的系統，其中每個面板都有一個單獨的微型逆變器，并且在為房屋供電或為電網供電之前將交流電組合起來。這樣的設置意味著系統可以監控每個面板的操作，以優化整個陣列的性能。

微型逆變器或傳統逆變器系統對現代數據中心至關重要。再加上電池，他們創造了一個不間斷的電源，以防止停電。此外，所有數據中心都使用功率因數校正電路，調整電源的交流波形以提高效率并消除可能損壞設備的特性。對于這些，GaN提供了一種低損耗且經濟的解決方案，正在慢慢取代硅。

5G和6G基站

GaN的*速度和高功率密度將使其能夠贏得并最終主導微波領域的應用，尤其是5G和6G無線以及商業和軍用雷達。這里的主要競爭是硅LDMOS器件陣列，它們更*但性能較低。事實上，GaN在4GHz及以上的頻率上沒有真正的競爭對手。

對于5G和6G無線，關鍵參數是帶寬，因為它決定了硬件可以有效傳輸多少信息。下一代5G系統將擁有近1GHz的帶寬，可實現超快的視頻和其他應用。

使用絕緣體上硅技術的微波通信系統提供了一種使用高頻硅器件的5G+解決方案，其中每個器件的低輸出功率都通過大量陣列來克服。GaN和硅將在這個領域共存一段時間。特定應用程序的贏家將取決于系統架構、成本和性能之間的權衡。

雷達

美國軍方正在部署許多基于GaN電子設備的地面雷達系統。其中包括由 Northrup-Grumman 為美國海軍陸戰隊建造的地面/空中任務導向雷達和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，并于2022年12月進行了*海上測試。該系統大大擴展了艦載雷達的范圍和靈敏度。

寬帶隙之戰才剛剛開始

如今，SiC在EV逆變器中占據主導地位，而且通常在電壓阻斷能力和功率處理能力至關重要且頻率較低的地方。GaN是高頻性能至關重要的*技術，例如5G和6G基站，以及雷達和高頻功率轉換應用，例如墻上插頭適配器、微型逆變器和電源。

但GaN和SiC之間的拉鋸戰才剛剛開始。無論競爭如何，一個應用一個應用，一個市場一個市場，我們可以肯定地說，地球環境將成為贏家。隨著這一技術更新和復興的新周期勢不可擋地向前發展，未來幾年將避免數十億噸溫室氣體排放。

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