采用氮化镓的 LED 照明已经大幅减少了全球的用电量，预计十年后节省的电量可能高达 46%。

但在电力消耗方面，另一种电子技术可能在减少全球碳排放的关键驱动力中发挥更大的价值，那就是电力转换。

随着 GaN 在照明领域的兴起，电力电子封装技术的进步也同样显着。GaN 和 SiC 的采用需要创新方法来管理增强的功率能力。散热器技术的最新发展尤其引人注目，在维持高功率设备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力转换技术如何影响他们，但这个过程在全球范围内每天发生数万亿次，并使从移动电话到电动汽车到医疗和工业系统的任何东西都能正常运行。事实上，任何需要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效率低下，每天都会浪费大量地球能源。

什么是功率半导体

功率半导体又称作电力半导体，是用来对电能进行转换，对电路进行控制，改变电力变换装置中的电压或电流的波形､幅值､相位､频率等参数的一种半导体器件。一般来说，功率半导体器件与非功率半导体器件没有严格界定，例如具有1W以上的功率处理能力的半导体器件可以认为是功率半导体器件。如整流二极管､双极型晶体管､晶闸管､GTO*1､功率MOSFET*2､IGBT*3､IPM*4､DIPIPMTM*5都是被广泛应用的功率半导体器件。

正如生物进化是由环境决定反过来又重新塑造环境一样，功率半导体的诞生和进化也是由于人类对于电气设备需求的不断增加和对低成本､高性能的持续追求下完成的。而功率器件的诞生和进化又使电气设备及其电力变换装置发生了本质变化，电力变换装置的可靠性､功能､成本､效率等各个方面又随着新型功率半导体器件的诞生而不断优化发展。正如在家电领域，作为电力转换装置的变频控制器最初采用的是分立功率晶体管，后来被IPM替代，而目前家电领域体积更小､成本更低､功能更强大的DIPIPMTM又替代了IPM成为家电变频控制器的主流功率器件。功率半导体器件的每一次升级，都使变频家电在体积､成本､可靠性､能效､噪声等方面获得巨大进步。


功率转换的新兴技术

在 GaN 和 SiC 的制造中，衬底的选择至关重要。虽然硅基 GaN 利用现有基础设施且通常限制在 650V，但 Qromis 衬底上 GaN 技术 (QST) 的出现允许更厚的外延层。这项创新可以在更高的电压下运行，可能高达 1,200V 或更高，从而扩大了 GaN 和 SiC 在高压电力电子应用中的范围。

可以公平地说，由于各种电力电子设备的创建和实施，在降低这种功率转换效率低下方面，电子技术已经取得了很大进展。

GaN 技术的影响超越了传统电力电子技术，对可再生能源系统产生了重大影响。GaN 器件以高效率而闻名，可以大幅减少太阳能电池板和风电场等系统的碳足迹，为符合全球环境保护努力的更可持续、更环保的能源解决方案做出贡献。

其中的关键角色是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。该器件一直很好地服务于电源转换设计，并将继续这样做，特别是在传统应用中。但从长远来看，先进的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体器件将是未来的发展方向。

在 GaN 和 SiC 生产中转向更大的晶圆直径会带来一些挑战。管理压力和调整现有技术以适应更大的晶圆是主要障碍。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，凸显了 GaN 和 SiC 等先进材料领域半导体制造的复杂性。

GaN和SiC功率器件的衬底材料区别

首先我们从衬底材料来看看SiC和GaN功率器件的区别，一般而言，SiC功率器件是在SiC衬底上生长一层SiC同质外延层，再在外延层上进行光刻和刻蚀等工序后形成器件。其中衬底是所有半导体芯片的底层材料，起到物理支撑、导热、导电等作用；而在衬底上生长出同质或异质晶体外延层的薄片，就叫外延片，器件有时候制作在外延片的外延层上，也有时候制作在外延片的衬底上（此时外延层起到支撑作用）。

而GaN功率器件理论上可以由同质或异质外延片制作而成，其中又以同质外延最佳。这是因为异质外延由于晶格失配等问题，当衬底和外延材料不同时，容易产生缺陷和位错，因此无论是SiC还是GaN，同质外延片都是制作功率器件的最好方案。

然而GaN衬底的制作方式复杂，目前主流的制作方式是先在蓝宝石衬底上生长出GaN厚膜，分离后的GaN厚膜再作为外延用的衬底，所以成本极高。据某国内GaN器件厂商透露，目前2英寸的GaN衬底价格高达1.5万元人民币，而8英寸硅外延片的市场价不到300元，对比可以知道目前GaN衬底价格之高，是难以用于制造功率器件的。

于是退而求其次，SiC与GaN的晶格匹配度相对较高，也就是晶格失配较小，所以使用SiC衬底也是一些GaN射频器件所选择的方向。当然，SiC衬底也并不便宜，因此，主流的GaN功率器件，也就采用了Si作为衬底。

Si作为最基础的半导体材料，当它用作GaN外延的衬底时也有不少优点，比如成本低、晶体质量高、尺寸大、导电性、导热性好，热稳定性好等。

不过，由于Si和GaN之间的热失配和晶格失配很大，这种低适配性导致Si衬底上无法直接长GaN外延层，需要长出多道缓冲层（AlN氮化铝）来过渡，因此外延层质量水平就比SiC基差不少，良率也较低，仅约为60%。

所以硅基GaN此前只能用来做小功率射频、功率器件，特别是在消费电子快充产品中得到广泛应用有替代Si MOSFET的趋势。而目前随着工艺的进步，已经有企业将GaN HEMT做到1200V耐压，而高压应用也将大大拓展GaN的应用领域。


电力电子的未来前景

如前所述，GaN 可以节省系统级成本。器件和系统成本取决于衬底成本、晶圆制造、封装和制造过程中的总产量。

SiC 和 GaN 可满足不同的电压、功率和应用需求。SiC 可处理高达 1,200V 的电压水平，并具有高载流能力。这使得它们适合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及其成本优势，GaN 已成为许多设计人员在 <10 kW 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，现阶段不可能回答哪个将成为总体赢家的主要问题，主要是因为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等新兴材料。虽然氧化镓具有广阔的潜力，但鉴于该行业的保守性质，其采用将是渐进的。这些新型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。

就 GaN 而言，它能够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 SiC 的角度来看，这些设备的制造商在电动汽车市场上的情况看起来不错。

咨询公司麦肯锡表示，800V纯电动汽车（BEV）最有可能使用基于SiC的逆变器，因为其效率高，预计到本十年末，BEV将占电动汽车的75%市场。

抛开这两种技术之间的技术差异，分析师和专家对它们在本十年余下时间里的销售情况有何看法？

从行业权威人士的平均观点来看，SiC 似乎表现良好，销售额将实现 29% 的复合年增长率 (CAGR)，到 2030 年全球销售额将达到 120 亿欧元。

GaN 器件销售的财务状况看起来同样乐观。尽管市场分析师的复合年增长率数据往往存在较大差异，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、应用多功能性以及为半导体公司赚大钱的能力而言，GaN 和 Sic 没有太多区别，因此，如果要在带隙竞赛中产生最终的获胜者，它将是就看谁能展示出最具颠覆性的技术。