氮化镓和碳化硅正在争夺主导地位，它们将减少数十亿吨温室气体排放。

先进的半导体能减少温室气体排放，在遏制气候变化的斗争中发挥重要作用吗？答案是非常肯定的。这种变化实际上正在发生。


取代硅器件，氮化镓和碳化硅不分上下

大约从2001年开始，化合物半导体氮化镓引发了一场照明革命，从某些方面来看，这是人类历史上最快的技术变革。根据国际能源署的一项研究，仅在短短20年内，氮化镓（GaN）基发光二极管在全球照明市场上的份额从就零增加到了50%以上。研究公司Mordor Intelligence最近预测，未来7年，LED照明将使得全球照明用电减少30%至40%。根据联合国环境署的数据，照明约占全球电力消耗的20%和二氧化碳排放量的6%。

这场革命还远未结束。事实上，它即将跃上一个新台阶。正是氮化镓改变了照明行业的半导体技术，为加速电力电子革命贡献了力量。在庞大且重要的电力电子产品类别中，有两种半导体正在逐渐取代硅基电子产品，氮化镓是其中之一,另一种则是碳化硅（SiC）。

氮化镓和碳化硅器件的性能和效率均优于它们正在取代的硅器件。全世界有数十亿个这样的器件，其中许多每天运行数小时，可节省大量能源。与用氮化镓LED取代白炽灯和其他传统照明设备相比，氮化镓和碳化硅电力电子产品的兴起，最终将对地球气候产生更大的积极影响。

事实上，凡是需要交流电与直流电转换的地方，电力的浪费都会减少。手机和笔记本电脑的插座充电器、电动汽车充电的大型充电器和逆变器等都有这种转换。其他硅产品转换为新型半导体，类似的节约效应也将得到体现。这些新兴半导体在无线基站放大器等很多应用中都有明显优势，应用范围不断扩大。在减缓气候变化方面，消除电力浪费是比较容易实现的，而这些半导体就是我们实现这一目标的途径。

这是科技史上一种常见模式的新实例：两项相互竞争的创新在同一时间成熟。这将如何分出胜负呢？碳化硅将在哪些应用中占据主导地位，而氮化镓又将在哪些应用中流行？


第三代半导体的共同点和区别

碳化硅和氮化镓将大大减少温室气体排放。根据氮化镓器件公司Transphorm对公开数据的分析，到2041年，仅在美国和印度，基于氮化镓的技术就可以减少超过10亿吨的温室气体。该结论所基于的数据来自国际能源署、Statista等。该分析还表明，这两个国家在2041年将节省1400太瓦时的能源，约相当于预计能源消耗量的10%到15%。

功率晶体管的特性几乎完全决定了脉宽调制电路的性能，因此也决定了调节电压控制器的效率。理想的功率晶体管在关断状态下，即使施加的电压很高，也能够完全阻断电流。这一特性被称为“高击穿场强”，它表明半导体能够承受多大的电压。另一方面，当它处于导通状态时，这种理想晶体管对电流流动的阻碍很小。这一特性源于半导体晶格中电荷（电子和空穴）的高迁移率。我们可以把击穿场强和电荷迁移率想象成功率半导体的阴阳两极。

与被取代的硅半导体相比，氮化镓和碳化硅更接近这个理想状态。首先来看一下击穿场强。氮化镓和碳化硅都属于宽带隙半导体。半导体的带隙被定义为半导体晶格中的电子从价带跃迁到导带所需的能量，单位为电子伏特。价带中的电子在晶格中参与原子键合，而导带中的电子在晶格中可以自由移动，形成导电。

在具有宽带隙的半导体中，原子之间键的联结力很强，该材料通常能够承受相对较高的电压，直至键断裂，晶体管被称为击穿。硅的带隙是1.12电子伏特，相比之下，氮化镓的带隙是3.40电子伏特。对于最常见类型的碳化硅，带隙为3.26电子伏特。

现在再看看迁移率，它的单位是平方厘米/伏秒（cm2/V•s）。迁移率和电场的乘积为电子的速度，对于给定数量的移动电荷，速度越高，携带的电流越大。对于硅，这个数字是1450；对于碳化硅，大约是950；而对于氮化镓来说，大约是2000。正是因为氮化镓的数值非同寻常地高，它不仅可应用于电源转换，还可用于微波放大器。氮化镓晶体管可以放大频率高达100千兆赫的信号，比通常认为的硅横向扩散金属氧化物半导体的最高频率（3至4千兆赫）还要高。作为参考，5G的毫米波频率最高为52.6千兆赫。这个最高的5G频段还没有得到广泛使用；然而，高达75千兆赫的频率正被部署在碟形天线间通信中，研究人员现在正在研究高达140千兆赫的频率，将其用于室内通信。对带宽的需求永不满足。

这些性能数据很重要，但它们不是在任何特定应用中比较氮化镓和碳化硅的唯一标准。其他关键因素还有器件及其集成系统的易用性和成本。这些因素共同说明了每一类半导体在哪里开始取代硅，以及取代的原因对于未来的竞争结果，它们也提供了强有力的线索。

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的一大优势是与传统硅金属氧化物半导体场效应晶体管相似，甚至封装也一样。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的工作方式与普通硅金属氧化物半导体场效应晶体管基本相同，有一个源极、一个栅极和一个漏极。当设备开启时，电子从重掺杂n型源极流过轻掺杂体区，然后通过导电基板“漏出”。这种相似性意味着转换到碳化硅时，工程师只需要曲度很小的学习曲线。

与氮化镓相比，碳化硅具有其他优势。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管本质上属于“故障时自动开路”设备，这意味着若控制电路因任何原因发生故障，晶体管将停止传导电流。这是一个重要的功能，因为这个特性极大地消除了故障导致短路和火灾或爆炸的可能性。（然而，这个功能的代价是电子迁移率较低，增大了设备开启时的电阻。）

氮化镓有自己的独特优势。2000年，半导体首次在发光二极管和半导体激光器市场上立足。它是第一种能够可靠地发出明亮的绿色、蓝色、紫色和紫外光的半导体。但早在光电子学取得这项商业突破之前，我和其他研究人员就已经演示了氮化镓在高功率电子产品上的应用前景。因为填补了高效照明的空白，氮化镓 LED很快流行起来。

氮化镓的主要优势在于其极高的电子迁移率。电流，即电荷的流动，等于电荷的浓度乘以其速度。所以，如果浓度高或速度快或两者皆有，就可以得到高电流。氮化镓晶体管之所以不同寻常，是因为在该器件中大部分电流的流动是由于电子速度而不是电荷浓度。在实践中，这意味着与硅或碳化硅相比，打开或关闭器件时需要较少的电荷流入设备，进而减少了每个开关周期所需的能量，可提高效率。

同时，氮化镓的高电子迁移率可以实现50伏/纳秒的开关速度。这一特性意味着基于氮化镓晶体管的电源转换器可以在数百千赫的频率下高效工作，而硅或碳化硅的工作频率在100千赫。

综合来看，高效率和高频率使得基于氮化镓器件的电源转换器可以变得非常小且轻：高效率意味着更小的散热器，并且在高频下工作意味着电感器和电容器也可以非常小。


初期二者不会干涉

氮化镓和碳化硅器件，目前的实际应用中也是分工比较明确，互不干涉

在高频应用中，氮化镓的性能其实还是比碳化硅优秀，以英飞凌的3kw电源应用中氮化镓和碳化硅的开关效率的对比图为例：

实际上在开关频率超过200K之后，碳化硅的开关效率就会明显下降，在达到目前主流的500K的氮化镓电源的频率下，碳化硅的效率就会下降1%，如果是大功率电源，这百分之一的效率可是非常大的差距。

在高温高压应用，氮化镓是不如碳化硅的，所以对比市面上的碳化硅和氮化镓功率管，基本都是以600-800V耐压为分界线，氮化镓主流应用在这个耐压值以下的消费市场，而碳化硅基本都在这个耐压值以上的高价值市场。

所以碳化硅闷声发大财的地方，就是在碳化硅MOS管在各种高压领域已经开始替代IGBT，我们知道IGBT的开关频率非常的低，一般在10K左右，而一些在工作在高压的应用，例如新能源车的电机，风电光电储能这些现在跟碳中和相关的热门应用中。

碳化硅的相对IGBT的高频开关性能会带来非常大的性能提升，例如新能源车如果使用碳化硅器件，碳化硅的高频特性带来的开关损耗的降低以及因为使用高频开关带来的周边器件的重量减轻，综合算下来能够增加 5-10%续航里程。

那这两种器件的未来如何呢？

Odyssey Semiconductor Technologies 正在美国制造工作电压为 650V 和 1200V 的垂直氮化镓 (GaN) FET 晶体管样品。

计划于 2022 年第四季度提供用于客户评估的器件产品样品。这一举措意义重大，因为全球有多个 1200V 垂直 GaN 项目，欧洲的 imec 和 Bosch 致力于该技术，而中国的 Enkris 生产适用于此类的 300mm 外延片设备。

该公司表示，垂直结构将为 650 和 1200 伏器件提供更低的导通电阻和更高的品质因数，其导通电阻仅为碳化硅 (SiC) 的十分之一，并且工作频率明显更高。

它表示已获得三个客户的承诺，以评估这些第一代产品样品。它正在研究产品样品的进一步客户参与。

“Odyssey 实现 1200 伏垂直 GaN 功率器件这一里程碑的重要性怎么强调都不为过，”Odyssey 首席执行官 Mark Davidson 说。“我们正在从工艺和材料研发到以横向 GaN 实际无法达到的电压提供产品，而经济性硅和碳化硅无法达到。对于相同的应用，我们的垂直 GaN 产品将提供比碳化硅晶体管小近 10 倍的高功率转换效率。”

“我们不只是制造测试结构。我们正在构建客户需要的产品样品。随着客户全面了解 Odyssey 功率器件的功能，Odyssey 将继续履行新的产品样品承诺。公司拥有独特的专业知识和知识产权组合来保护它。通过我们在纽约伊萨卡的自己的铸造厂，我们可以快速创新并控制我们向客户供应产品的能力，”他说。

Odyssey 表示，其垂直 GaN 方法将提供硅、碳化硅和横向 GaN 无法提供的更大改进。650 伏是当今更大的市场，预计将以 20% 的复合年增长率增长。1200 伏产品细分市场预计将以 63% 的复合年增长率更快地增长，并将在本十年的下半叶成为更大的市场。

根据收集市场统计数据的法国公司 Yole 的数据，到 2027 年，650 和 1200 伏电力设备市场预计将增长到约 50 亿美元，复合年增长率为 40%。