采用氮化鎵的 LED 照明已經(jīng)大幅減少了全球的用電量，預計十年后節(jié)省的電量可能高達 46%。

但在電力消耗方面，另一種電子技術(shù)可能在減少全球碳排放的關(guān)鍵驅(qū)動力中發(fā)揮更大的價值，那就是電力轉(zhuǎn)換。

隨著 GaN 在照明領(lǐng)域的興起，電力電子封裝技術(shù)的進步也同樣顯著。GaN 和 SiC 的采用需要創(chuàng)新方法來管理增強的功率能力。散熱器技術(shù)的最新發(fā)展尤其引人注目，在維持高功率設(shè)備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(guān)重要的作用。

大多數(shù)人完全不知道電力轉(zhuǎn)換技術(shù)如何影響他們，但這個過程在全球范圍內(nèi)每天發(fā)生數(shù)萬億次，并使從移動電話到電動汽車到醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的任何東西都能正常運行。事實上，任何需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電或相反的應用。由于實現(xiàn)這一過程的電子設(shè)備和系統(tǒng)效率低下，每天都會浪費大量地球能源。

什么是功率半導體

功率半導體又稱作電力半導體，是用來對電能進行轉(zhuǎn)換，對電路進行控制，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形?幅值?相位?頻率等參數(shù)的一種半導體器件。一般來說，功率半導體器件與非功率半導體器件沒有嚴格界定，例如具有1W以上的功率處理能力的半導體器件可以認為是功率半導體器件。如整流二極管?雙極型晶體管?晶閘管?GTO*1?功率MOSFET*2?IGBT*3?IPM*4?DIPIPMTM*5都是被廣泛應用的功率半導體器件。

正如生物進化是由環(huán)境決定反過來又重新塑造環(huán)境一樣，功率半導體的誕生和進化也是由于人類對于電氣設(shè)備需求的不斷增加和對低成本?高性能的持續(xù)追求下完成的。而功率器件的誕生和進化又使電氣設(shè)備及其電力變換裝置發(fā)生了本質(zhì)變化，電力變換裝置的可靠性?功能?成本?效率等各個方面又隨著新型功率半導體器件的誕生而不斷優(yōu)化發(fā)展。正如在家電領(lǐng)域，作為電力轉(zhuǎn)換裝置的變頻控制器最初采用的是分立功率晶體管，后來被IPM替代，而目前家電領(lǐng)域體積更小?成本更低?功能更強大的DIPIPMTM又替代了IPM成為家電變頻控制器的主流功率器件。功率半導體器件的每一次升級，都使變頻家電在體積?成本?可靠性?能效?噪聲等方面獲得巨大進步。


功率轉(zhuǎn)換的新興技術(shù)

在 GaN 和 SiC 的制造中，襯底的選擇至關(guān)重要。雖然硅基 GaN 利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施且通常限制在 650V，但 Qromis 襯底上 GaN 技術(shù) (QST) 的出現(xiàn)允許更厚的外延層。這項創(chuàng)新可以在更高的電壓下運行，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范圍。

可以公平地說，由于各種電力電子設(shè)備的創(chuàng)建和實施，在降低這種功率轉(zhuǎn)換效率低下方面，電子技術(shù)已經(jīng)取得了很大進展。

GaN 技術(shù)的影響超越了傳統(tǒng)電力電子技術(shù)，對可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生了重大影響。GaN 器件以高效率而聞名，可以大幅減少太陽能電池板和風電場等系統(tǒng)的碳足跡，為符合全球環(huán)境保護努力的更可持續(xù)、更環(huán)保的能源解決方案做出貢獻。

其中的關(guān)鍵角色是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。該器件一直很好地服務(wù)于電源轉(zhuǎn)換設(shè)計，并將繼續(xù)這樣做，特別是在傳統(tǒng)應用中。但從長遠來看，先進的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體器件將是未來的發(fā)展方向。

在 GaN 和 SiC 生產(chǎn)中轉(zhuǎn)向更大的晶圓直徑會帶來一些挑戰(zhàn)。管理壓力和調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)以適應更大的晶圓是主要障礙。向 8 英寸晶圓廠的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)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，凸顯了 GaN 和 SiC 等先進材料領(lǐng)域半導體制造的復雜性。

GaN和SiC功率器件的襯底材料區(qū)別

首先我們從襯底材料來看看SiC和GaN功率器件的區(qū)別，一般而言，SiC功率器件是在SiC襯底上生長一層SiC同質(zhì)外延層，再在外延層上進行光刻和刻蝕等工序后形成器件。其中襯底是所有半導體芯片的底層材料，起到物理支撐、導熱、導電等作用；而在襯底上生長出同質(zhì)或異質(zhì)晶體外延層的薄片，就叫外延片，器件有時候制作在外延片的外延層上，也有時候制作在外延片的襯底上（此時外延層起到支撐作用）。

而GaN功率器件理論上可以由同質(zhì)或異質(zhì)外延片制作而成，其中又以同質(zhì)外延最佳。這是因為異質(zhì)外延由于晶格失配等問題，當襯底和外延材料不同時，容易產(chǎn)生缺陷和位錯，因此無論是SiC還是GaN，同質(zhì)外延片都是制作功率器件的最好方案。

然而GaN襯底的制作方式復雜，目前主流的制作方式是先在藍寶石襯底上生長出GaN厚膜，分離后的GaN厚膜再作為外延用的襯底，所以成本極高。據(jù)某國內(nèi)GaN器件廠商透露，目前2英寸的GaN襯底價格高達1.5萬元人民幣，而8英寸硅外延片的市場價不到300元，對比可以知道目前GaN襯底價格之高，是難以用于制造功率器件的。

于是退而求其次，SiC與GaN的晶格匹配度相對較高，也就是晶格失配較小，所以使用SiC襯底也是一些GaN射頻器件所選擇的方向。當然，SiC襯底也并不便宜，因此，主流的GaN功率器件，也就采用了Si作為襯底。

Si作為最基礎(chǔ)的半導體材料，當它用作GaN外延的襯底時也有不少優(yōu)點，比如成本低、晶體質(zhì)量高、尺寸大、導電性、導熱性好，熱穩(wěn)定性好等。

不過，由于Si和GaN之間的熱失配和晶格失配很大，這種低適配性導致Si襯底上無法直接長GaN外延層，需要長出多道緩沖層（AlN氮化鋁）來過渡，因此外延層質(zhì)量水平就比SiC基差不少，良率也較低，僅約為60%。

所以硅基GaN此前只能用來做小功率射頻、功率器件，特別是在消費電子快充產(chǎn)品中得到廣泛應用有替代Si MOSFET的趨勢。而目前隨著工藝的進步，已經(jīng)有企業(yè)將GaN HEMT做到1200V耐壓，而高壓應用也將大大拓展GaN的應用領(lǐng)域。


電力電子的未來前景

如前所述，GaN 可以節(jié)省系統(tǒng)級成本。器件和系統(tǒng)成本取決于襯底成本、晶圓制造、封裝和制造過程中的總產(chǎn)量。

SiC 和 GaN 可滿足不同的電壓、功率和應用需求。SiC 可處理高達 1,200V 的電壓水平，并具有高載流能力。這使得它們適合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(guān)能力及其成本優(yōu)勢，GaN 已成為許多設(shè)計人員在 <10 kW 應用中的首選器件。

因此，這些只是兩種帶隙技術(shù)之間的一些操作差異，現(xiàn)階段不可能回答哪個將成為總體贏家的主要問題，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(guān)注氧化鎵等新興材料。雖然氧化鎵具有廣闊的潛力，但鑒于該行業(yè)的保守性質(zhì)，其采用將是漸進的。這些新型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。

就 GaN 而言，它能夠提供非常快速的開關(guān)，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 SiC 的角度來看，這些設(shè)備的制造商在電動汽車市場上的情況看起來不錯。

咨詢公司麥肯錫表示，800V純電動汽車（BEV）最有可能使用基于SiC的逆變器，因為其效率高，預計到本十年末，BEV將占電動汽車的75%市場。

拋開這兩種技術(shù)之間的技術(shù)差異，分析師和專家對它們在本十年余下時間里的銷售情況有何看法？

從行業(yè)權(quán)威人士的平均觀點來看，SiC 似乎表現(xiàn)良好，銷售額將實現(xiàn) 29% 的復合年增長率 (CAGR)，到 2030 年全球銷售額將達到 120 億歐元。

GaN 器件銷售的財務(wù)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)往往存在較大差異，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(shù)能力、應用多功能性以及為半導體公司賺大錢的能力而言，GaN 和 Sic 沒有太多區(qū)別，因此，如果要在帶隙競賽中產(chǎn)生最終的獲勝者，它將是就看誰能展示出最具顛覆性的技術(shù)。