半導(dǎo)體材料帶來的電力革命，功率器件肩負重擔(dān)

采用氮化鎵的 LED 照明已經(jīng)大幅減少了全球的用電量，預(yù)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)體

功率半導(dǎo)體又稱作電力半導(dǎo)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(dǎo)體器件。一般來說，功率半導(dǎo)體器件與非功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件可以認為是功率半導(dǎo)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(yīng)用的功率半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(fēng)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(yīng)用中。但從長遠來看，先進的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)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(yīng)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(fù)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(dǎo)體制造的復(fù)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(dǎo)體芯片的底層材料，起到物理支撐、導(dǎo)熱、導(dǎo)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(dāng)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(fù)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(dāng)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(dǎo)體材料，當(dāng)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用也將大大拓展GaN的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(fù)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(fù)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(yīng)達到約 100 億歐元。

因此，就技術(shù)能力、應(yīng)用多功能性以及為半導(dǎo)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)。