带隙对决：GaN和SiC哪个会占上风？

时间: 2024-08-04 06:56:39 |   作者: 汽车零部件

　　）在照明领域应用的兴起，电力电子封装技术的进步也同样重要。氮化镓和碳化硅（）的采用需要创新方法来管理增加的功率能力。散热器技术的最新发展尤其引人注目，在保持大功率器件的热性能并确保其在各种应用中的可靠性和效率方面发挥着至关重要的作用。

　　大多数人完全不知道电源转换技术怎么样影响他们，但这样的一个过程在全世界内每天发生数万亿次，使从手机到电动汽车再到医疗和工业系统的任何东西都能发挥作用。事实上，任何必须将交流电转换为直流电或相反的应用。由于实现这一过程的电子设备和系统的效率低下，每天浪费了大量的地球能源。

　　在氮化镓和碳化硅的制造中，衬底的选择至关重要。虽然硅基氮化镓利用现有的基础设施，通常限制在 650V，但氮化镓基质衬底技术（QST）的出现允许更厚的外延层。这项创新技术可在更高的电压下工作，可能高达 1,200V 或更高，从而扩大了GaNSiC在高压电力电子应用中的应用范围。

　　可以说，由于各种电力电子设备的创建和实施，在减少这种功率转换效率低下方面，电子化方面取得了很大进展。

　　氮化镓技术的影响超越了传统的电力电子技术，对可再次生产的能源系统产生了重大影响。氮化镓器件以高效率著称，可以大幅度减少太阳能电池板和风电场等系统的碳足迹，有助于提供更可持续、更环保的能源解决方案，以配合全球环境保护工作。

　　其中的一个重要的条件是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。该器件已很好地满足了电源转换设计的需求，并将继续如此，尤其是在传统应用中。但从长远来看，先进的氮化镓和碳化硅半导体器件将是未来的发展方向。

　　在氮化镓和碳化硅的生产中过渡到更大的晶圆直径会带来一些挑战。管理应力和调整现存技术以适应更大的晶圆是关键障碍。向 8 英寸晶圆厂的战略转变旨在利用更大晶圆的优势，但涉及复杂而细致的开发过程，突显了半导体制造在GaNSiC等先进材料领域的复杂性。

　　氮化镓和碳化硅都属于一类称为宽带隙半导体的器件。半导体的带隙定义为电子从价带跳到导带所需的能量（以电子伏特为单位）。价带只是电子占据的任何特定材料的原子的最外层电子轨道。

　　价带的最高占据能量状态与导带的最低未占用状态之间的能量差称为带隙，表示材料的电导率。较大的带隙意味着需要大量能量才能将价电子激发到导带。相反，当价带和导带像金属一样重叠时，电子可以很容易地在两个带之间跳跃，这在某种程度上预示着该材料被归类为高导电性。

　　导体、绝缘体与半导体之间的区别能够最终靠它们的带隙有多大来表示。绝缘体的特点是带隙大，因此就需要大量的能量才能将电子移出价带以形成电流。导体在导带和价带之间有重叠，因此这种导体中的价电子是自由的。

　　然而，半导体的带隙很小，允许材料的少量价电子进入导带。这种特性使它们在导体和绝缘体之间具有导电性，这也是它们很适合电路的部分原因，因为它们不会像导体那样引起短路。

　　氮化镓和碳化硅器件在提高功率转换效率水平方面已经显示出巨大的潜力，从而节省了大量电力。

　　这两种技术比另一种技术具有优势，当考虑到这些技术时，目前看起来这两种技术都将在功率转换中找到有价值的位置。但是有什么区别呢？

　　基于 SiC 的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具有作为失效打开器件的优点。

　　这意味着，如果电路出现故障，器件将停止导通电流。这消除了故障可能会引起短路和可能的火灾或爆炸的可能性。然而，这种有益的、有时是必不可少的特征确实意味着它的电子移动速度不那么快，不幸的是，这增加了电阻，这是高效功率转换的主要敌人。

　　进入具有高电子迁移率的基于 GaN 的器件。氮化镓晶体管不同，因为流过器件的大部分电流是由于电子速度而不是电荷量造成的。这在某种程度上预示着电荷必须进入设备才能打开或关闭它。这减少了每个开关周期所需的能量，并提供了更高效的电源转换操作。

　　但是，与其将某项特定技术视为赢家，不如记住，有时氮化镓和碳化硅的不同操作特性和后续优势在某些应用中可能是有益的。

　　让我们来看看汽车制造商及其在电动汽车 （EV）设计方面的宽禁带决策方面的选择，特别是车辆逆变器所做的工作，从根本上说是功率转换。

　　电动汽车需要一个逆变器将锂电池的直流电转换为车辆电动机能够正常的使用的交流电。碳化硅器件供应商是埃隆·马斯克（Elon Musk）为特斯拉汽车选择的供应商，现在中国汽车制造商比亚迪（BYD）、丰田（Toyota）、现代（Hyundai）和梅赛德斯（Mercedes）也纷纷效仿。

　　氮化镓可实现更高的开关速度，这在电动汽车逆变器中是一个强大的优势，因为它们使用硬开关。这通过快速切换从开到关来缩短器件保持高电压和传递高电流的时间，从而增强了性能。

　　除了逆变器外，电动汽车通常还具有车载充电器，通过将交流电转换为直流电，可以从市电为车辆充电。在这方面，氮化镓非常有吸引力。

　　在汽车应用中使用碳化硅会带来一些挑战。碳化硅衬底并不便宜，占生产该器件材料清单成本的近 50%。碳化硅本质上也是一种低良率的制造工艺，晶圆是透明的，需要昂贵的计量设备来监控该过程。

　　制造碳化硅器件比制造硅基半导体更困难，而碳化硅的硬度使蚀刻和栅极氧化工艺变得困难。

　　在汽车制造方面，汽车制造商需要大量供应的产品来保持生产线的流动，而在这里，碳化硅的供应有限，这是其在汽车行业采用的另一个障碍。

　　与碳化硅相比，氮化镓是在较便宜的硅衬底上生长的。然而，与碳化硅相比，它们确实需要更大的芯片尺寸来满足大电流应用的需求。

　　硅基板的使用有时会导致晶格不匹配和位错等问题，进而导致栅极电流泄漏和可靠性降低，汽车制造商对组件可靠性感到偏执，因为操作故障会增加汽车保修退货，从而从汽车制造商的利润中抽取一大笔。

　　诚然，氮化镓的这样一些问题可以通过更坚固的外延层轻松解决，但这反过来又会增加整体组件成本，而且汽车制造商在供应组件的价格这一块再次很注重成本。

　　为汽车制造合适的半导体器件始终一定要考虑温度问题，并且由于 GaN 是在 Si 衬底上生长的，因此其导热性受 Si 衬底性能的影响。

　　氮化镓在大功率汽车应用（10 kW 以上）方面确实存在局限性，并且是 600V 以下器件的首选，但它确实有可能以多级功率拓扑进入逆变器市场。随着汽车制造商对信息娱乐、快速通信、摄像头和雷达等功能的需求持续不断的增加，人们对 48V 系统的兴趣慢慢的变大。在这方面，氮化镓是合适的，因为它具有成本竞争力。

　　如前所述，氮化镓能节约系统级成本。器件和系统成本取决于基板成本、晶圆制造、封装和制作的完整过程中的整体良率。

　　碳化硅和氮化镓满足多种的电压、功率和应用需求。SiC 可处理高达 1,200V 的电压电平，具有高载流能力。这使得它们适用于汽车逆变器和太阳能发电场的应用。

　　另外，由于其高频开关能力和成本优势，氮化镓已成为许多设计人员在 10kW 应用中的首选器件。

　　因此，这些只是两种带隙技术之间的一些操作差异，在现阶段不可能回答哪个将成为总赢家的头条问题，还在于两者在性能方面都在不断发展。

　　展望未来，电力电子行业正在关注氧化镓（Ga2O3）等新兴材料。虽然 Ga2O3 具有广阔的潜力，但鉴于该行业的保守性，其采用将是渐进的。这些新材料在高功率场景中的广泛接受和应用将取决于它们建立可靠记录的能力。

　　在氮化镓方面，它可提供非常快速的开关，同时在高温下工作。它还具有尺寸优势，被认为具有低碳足迹，并且在制造成本方面非常合理。

　　从碳化硅的角度来看，在电动汽车市场方面，这些设备的制造商的情况看起来不错。

　　根据咨询公司麦肯锡（McKinsey）的数据，800V 电池电动汽车（BEV）最大有可能使用基于 SiC 的逆变器，因为它们具有高效率，预计到本世纪末，BEV 将占电动汽车市场的 75%。

　　撇开这两种技术之间的技术差异不谈，分析师和专家们对它们在这 10 年剩下的时间里的表现有何看法？

　　从行业专家的横截面观点来看，碳化硅似乎会表现良好，销售额将实现 29% 的复合年增长率（CAGR），到 2030 年全球将达到 120 亿欧元。

　　氮化镓器件销售的财务情况看起来同样乐观。尽管市场分析师的复合年增长率数据往往变化较大，但总体平均数字为 26%，到 2030 年销售额应达到约 100 亿欧元。

　　因此，就技术能力、应用多功能性和让半导体公司赚大钱的能力而言，氮化镓和碳化硅之间没太多区别，因此，如果要在带隙竞赛中最终获胜，那将取决于它们中谁能够展示最具颠覆性的技术。