寬禁帶半導體材料「雙子星」——氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）

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2022-10-14 13:08:51 25

對于 GaN，中文名氮化鎵，我們實在是聽得太多了。

這要從近兩年充電器上的瘋狂內(nèi)卷開始說起。好像從某個時間點開始，一夜之間，GaN 就如雨后春筍般出現(xiàn)在了充電行業(yè)。然后隨之而來的，就是我們憧憬已久的幻想開始實現(xiàn)：快速充電，更快速充電。

到 2022 年的今天，功率甚至已經(jīng)在突破 200 這個數(shù)字上初現(xiàn)端倪。這是第三代半導體材料的勝利，也是移動端充電行業(yè)的狂歡。但對于 GaN，很多人只是有個模糊的概念，對于它實現(xiàn)「小體積大功率」背后的原理、以及為何能改變多行業(yè)格局其實并不清楚。今天就讓我們帶著這些問題去一探究竟。

什么是 GaN 氮化鎵？

——從分子結構看，科學解釋：

GaN：由鎵（原子序數(shù) 31) 和氮（原子序數(shù) 7) 結合而來的化合物。它是擁有穩(wěn)定六邊形晶體結構的寬禁帶半導體材料。

禁帶：是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，GaN 的禁帶寬度為 3.4eV，是硅的 3 倍多，所以說 GaN 擁有寬禁帶特性（WBG）。禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場。GaN 比傳統(tǒng)硅材料更大的禁帶寬度，使它具有非常細窄的耗盡區(qū)，從而可以開發(fā)出載流子濃度非常高的器件結構，而載流子濃度直接決定了半導體的導電能力。

為什么 GaN 這么受歡迎？

要回答這個問題，我們就要先回答：

GaN 有何優(yōu)勢？

由于 GaN 具有更小的晶體管、更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢，GaN 充電器的運行速度，比傳統(tǒng)硅器件要快 100 倍。GaN 在電力電子領域主要優(yōu)勢在于高效率、低損耗與高頻率，GaN 材料的這一特性令其在充電器行業(yè)大放異彩。

更重要的是，GaN 相比傳統(tǒng)的硅，可以在更小的器件空間內(nèi)處理更大的電場，同時提供更快的開關速度。此外，氮化鎵比硅基半導體器件，可以在更高的溫度下工作。

說人話就是：基于 GaN 功率芯片的充電器充電速度比傳統(tǒng)硅充電器快高三倍，但尺寸和重量，甚至只有后者的一半。同時還有耐高溫、低損耗等特點。

這就是為什么我們現(xiàn)在看到的充電器能夠輕松達到 65W、100W，但同時它們的體積卻并不大的原因，至少這在以往是難以想象的。

GaN 的優(yōu)勢能夠帶來什么？

我們把這種材料技術帶來的優(yōu)勢分成兩個層面解讀：產(chǎn)品與行業(yè)。

對產(chǎn)品：在電力電子領域，基于 GaN 材料制備的功率器件擁有更高的功率密度輸出，以及更高的能量轉(zhuǎn)換效率。除此之外可以使系統(tǒng)小型化、輕量化，有效降低電力電子裝置的體積和重量，從而極大降低系統(tǒng)制作及生產(chǎn)成本。

對行業(yè)：相關數(shù)據(jù)表明，在低壓市場，GaN 的應用潛力甚至可以占據(jù)到整個功率市場約 68% 的比重。

另一點可能是你比較意外的，那就是 GaN 技術還可以有效降低碳排放。其碳足跡比傳統(tǒng)的硅基器件要低 10 倍。據(jù)估計，如果全球采用硅芯片器件的數(shù)據(jù)中心，都升級為使用 GaN功率芯片器件，那全球的數(shù)據(jù)中心將減少 30-40% 的能源浪費。這相當于節(jié)省了 100 兆瓦時太陽能和 1.25 億噸二氧化碳排放量。因此 GaN 的吸引力不僅僅在于性能和系統(tǒng)層面的能源利用率的提高。

為什么比 Si 好？

半導體發(fā)展史：硅作為*代「半導體材料」的典型代表，其技術與應用發(fā)展到如今已經(jīng)是爐火純青，甚至于，目前全球 95% 以上的半導體芯片和器件都是用硅片作為基礎功能材料而生產(chǎn)出來。

但我們需要知道，任何材料其性能和效率都存在一個理論極限，隨著硅材料技術的日臻佳境的發(fā)展，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的諸多限制也開始體現(xiàn)出來。

也就是說，硅的性能已經(jīng)開始跟不上各種應用場景的需求了。根本原因就在于硅本身的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低。當材料技術的發(fā)展遭遇瓶頸，那么我們必將尋求新的代替者，獲得更加優(yōu)秀的解決方案。在這條關于更高性能的探索路上就開始了。

*代：元素半導體

典型如硅基和鍺基半導體。其中以硅基半導體技術較成熟，應用也較廣，一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。以硅材料為代表的*代半導體材料，它取代了笨重的電子管，導致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個 IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應用于信息處理和自動控制等領域。

第二代：化合物半導體

20 世紀 90 年代以來，隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，以砷化鎵( GaAs )、磷化銦( InP )為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP 等材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信、GPS 導航等領域。但是 GaAs、InP 材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的局限性。

第三代：寬禁帶半導體

第三代半導體包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等。它們的禁帶寬度在 2.3eV 以上，其中又以 SiC 碳化硅和 GaN 氮化鎵為代表。與前兩代半導體材料相比，第三代半導體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性質(zhì)，翻譯下來就是：高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強。憑借極優(yōu)越的性能和巨大的市場前景，第三代半導體材料正在成為全球半導體市場爭奪的焦點。

* GaN

* SiC

寬禁帶材料「雙子星」——不得不說的 SiC

目前來看，SiC 和 GaN 的技術研究進展較快，并且已經(jīng)開始有了廣泛應用。SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發(fā)展更早一些，技術成熟度也更高一些。SiC 禁帶寬度為 3.23ev，GaN 禁帶寬度為 3.4ev。

SiC 器件相對于 Si 器件的優(yōu)勢主要來自三個方面：

降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗
更容易實現(xiàn)小型化
更耐高溫高壓

據(jù)了解，SiC 功率器件的能量損耗只有 Si 器件的 50%，發(fā)熱量只有 Si 器件的 50%，且有更高的電流密度。在相同功率等級下，SiC 功率模塊的體積顯著小于 Si 功率模塊。

聽上去是不是和 GaN 很像？沒錯，這是兩者材料特性決定的，在很多性能上 SiC 和 GaN 具有十分相似的表現(xiàn)。

* Si、GaN、SiC 應用區(qū)間對比

為什么我們的充電器用的都是 GaN 而不是 SiC 呢？

兩者有一個很大的區(qū)別是熱導率。這使得在高功率高溫等極限場景應用中，SiC 占據(jù)統(tǒng)治地位；而 GaN 具有更高的電子遷移率，因而能夠比 SiC 或 Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN 具備優(yōu)勢。簡單來說就是，SiC 如果用在我們?nèi)粘５氖謾C充電器上，其實有點大材小用，這其中也牽扯到成本的問題，綜合下來其實 GaN 更為合適。

SiC 的主要應用場景

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導體材料，在熱、化學、機械方面都非常穩(wěn)定，這使得它可以被用在非常極端的環(huán)境條件下。針對于 SiC，微波及高頻和短波長器件是目前已經(jīng)成熟的應用市場。在電力電子領域，SiC 應用市場最大的驅(qū)動力，可能來自于新能源汽車。事實上 SiC 已經(jīng)被應用的典型市場包括：軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。

SiC 器件如何提升電動汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導體制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源。而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，同時也可以大幅降低器件尺寸，車身可以設計得更為緊湊。

所以 SiC 和 GaN 在很多關鍵特性上看上去像是「兩兄弟」，但其實目前它們正在各自擅長的領域發(fā)著不同的光。GaN 有著更強的成本控制，SiC 則能夠勝任更極限的環(huán)境條件。

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