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SiC和GaN,战斗才刚刚开始

烈阳
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先进的半导体能否减少足够的温室气体排放,从而在遏制气候变化的斗争中发挥作用?答案是肯定的。这样的改变实际上正在有条不紊地进行着。

从2001年左右开始,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,在短短二十年内,基于氮化镓的发光二极管在全球照明市场中的份额已从零增长到超过50%。研究公司 Mordor Intelligence 最近预测,在全球范围内,LED 照明将在未来七年内将照明用电量减少30%至40%。根据联合国环境规划署的数据,在全球范围内,照明约占用电量的20%和二氧化碳排放量的6% 。


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每个晶圆都包含数百个最先进的功率晶体管

这场革命远未结束。确实,它即将跃升至更高的层次。改变了照明行业的半导体技术氮化镓 (GaN) 也是电力电子革命的一部分,这场革命正在蓄势待发。因为化合物半导体中的一种——碳化硅 (SiC)——已经开始在巨大而重要的电力电子领域取代硅基电子产品。

GaN和SiC器件比它们正在替代的硅元件性能更好、效率更高。全世界有数以亿计的此类设备,其中许多每天运行数小时,因此节省的能源将是巨大的。与GaN LED取代白炽灯和其他传统照明相比,GaN和SiC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。

几乎所有必须将交流电转换为直流电或将直流电转换为直流电的地方,浪费的功率都会减少。这种转换发生在手机或笔记本电脑的壁式充电器、为电动汽车供电的更大的充电器和逆变器以及其他地方。随着其他硅据点也落入新半导体,将会有类似的节省。无线基站放大器是不断增长的应用之一,这些新兴半导体在这些应用中显然具有优势。在减缓气候变化的努力中,消除功耗浪费是唾手可得的成果,而这些半导体正是我们收获它的方式。

这是技术史上常见模式的新实例:两项相互竞争的创新同时取得成果。这一切将如何摆脱?SiC将在哪些应用领域占据主导地位,而GaN将在哪些领域占据主导地位?认真审视这两种半导体的相对优势可以为我们提供一些可靠的线索。

为什么电力转换在气候计算中很重要

在我们了解半导体本身之前,让我们首先考虑一下我们为什么需要它们。首先:电源转换无处不在。它远远超出了为我们的智能手机、平板电脑、笔记本电脑和无数其他小工具供电的小型壁式充电器。

电力转换是将电力从可用形式转变为产品执行其功能所需形式的过程。在这种转换中总会损失一些能量,并且由于其中一些产品持续运行,因此可以节省大量能源。回想一下:尽管加州的经济产出猛增,但自1980年以来,该州的电力消耗基本持平。需求保持平稳的最重要原因之一是冰箱和空调的效率在此期间大幅提高。这一改进中最重要的一个因素是使用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT) 和其他电力电子设备的变速驱动器,从而大大提高了效率。

氮化镓和碳化硅:它们的竞争领域


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在高压功率晶体管市场,氮化镓器件在400伏左右以下的应用中占据主导地位,而碳化硅现在在800伏及以上的应用中具有优势(2000伏左右以上的市场相对较小)。随着GaN器件的改进,400至1,000V之间的重要战场格局将发生变化。例如,随着1,200V GaN晶体管的推出(预计在2025年推出),电动汽车逆变器这个最重要的市场将加入这场战斗。

SiC和GaN将大大减少排放。根据2007年创立的GaN器件公司Transphorm对公开数据的分析,到2041年,仅基于GaN的技术就可以在美国和印度减少超过10亿吨的温室气体排放。数据来自国际能源署、Statista 和其他来源。相同的分析表明可节省1,400太瓦时的能源,即两国当年预计能源消耗的10%至15%。

宽带隙的优势

与普通晶体管一样,功率晶体管可以充当放大设备或开关。放大作用的一个重要例子是无线基站,它放大信号以传输到智能手机。在全世界,用于制造这些放大器中的晶体管的半导体正在从称为横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 的硅技术转向 GaN。新技术具有许多优势,包括能效提高 10%或更多取决于频率。另一方面,在功率转换应用中,晶体管充当开关而不是放大器。标准技术称为脉宽调制。例如,在常见类型的电机控制器中,直流电脉冲被馈送到安装在电机转子上的线圈。这些脉冲建立了一个磁场,该磁场与电机定子的磁场相互作用,从而使转子旋转。这种旋转的速度是通过改变脉冲的长度来控制的:这些脉冲的图形是一个方波,脉冲“开”而不是“关”的时间越长,电机提供的转速和扭矩就越大。功率晶体管完成开关。

脉宽调制也用于开关电源,这是最常见的电源转换示例之一。开关电源是为几乎所有以直流电运行的个人电脑、移动设备和电器供电的类型。基本上,输入的交流电压被转换为直流,然后该直流被“斩波”为高频交流方波。这种斩波是由功率晶体管完成的,它通过打开和关闭直流电来产生方波。方波被施加到变压器,变压器改变波的幅度以产生所需的输出电压。为了获得稳定的直流输出,来自变压器的电压经过整流和滤波。

这里的重点是,功率晶体管的特性几乎完全决定了电路执行脉宽调制的能力,因此也决定了控制器调节电压的效率。理想的功率晶体管在处于关断状态时会完全阻断电流,即使在施加的电压很高时也是如此。这种特性称为高电击穿场强,它表示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的流动阻力非常小。这一特征源于半导体晶格内电荷(电子和空穴)的非常高的迁移率。将击穿场强和电荷迁移率视为功率半导体的阴阳。

与它们所取代的硅半导体相比,GaN和SiC更接近这一理想状态。首先,考虑击穿场强。GaN和SiC都属于宽带隙半导体。半导体的带隙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,以电子伏特为单位。价带中的电子参与晶格内原子的键合,而导带中的电子可以在晶格中自由移动并导电。

在具有宽带隙的半导体中,原子之间的键很强,因此材料通常能够在键断裂之前承受相对较高的电压,据说晶体管会损坏。与GaN的3.40eV相比,硅的带隙为1.12电子伏特。对于最常见的SiC类型,带隙为3.26eV。[见下表,“Bandgap Menagerie”]


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运行速度和阻断高压的能力是功率晶体管的两个最重要的特性。这两种品质又由用于制造晶体管的半导体材料的关键物理参数决定。速度取决于半导体中电荷的迁移率和速度,而电压阻断则取决于材料的带隙和电击穿场。

现在让我们看看迁移率,它以平方厘米/伏秒 (cm²/V·s)为单位。迁移率和电场的乘积产生电子的速度,速度越高,对于给定数量的移动电荷,携带的电流就越大。对于硅,这个数字是1,450;对于SiC,它约为950;对于GaN,约为2,000。GaN异常高的价值是它不仅可以用于功率转换应用,还可以用于微波放大器的原因。GaN晶体管可以放大频率高达100GHz 的信号——远高于通常被认为是硅LDMOS最大值的3至4GHz。作为参考,5G 的毫米波频率最高可达52.6GHz。这个最高5G频段尚未广泛使用,但是,高达75GHz的频率正在部署在dish to dish通信中,研究人员现在正在使用高达140GHz 的频率进行室内通信。对带宽的需求是无法满足的。

这些性能数据很重要,但它们并不是针对任何特定应用比较 GaN 和 SiC 的唯一标准。其他关键因素包括设备及其集成系统的易用性和成本。总而言之,这些因素解释了这些半导体中的每一种在何处以及为何开始取代硅——以及它们未来的竞争可能如何摆脱困境。

SiC 在当今的功率转换领域领先GaN

Cree(现为 Wolfspeed)于2011 年推出了第一个商业上可行的优于硅的 SiC 晶体管。它可以阻挡 1,200 伏特,并且在传导电流时具有80毫欧姆的相当低的电阻。目前市场上存在三种不同类型的SiC晶体管。Rohm有一个沟槽MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管);Infineon Technologies、ON Semiconductor Corp.、STMicroelectronics、Wolfspeed等的 DMOS(双扩散MOS);以及Qorvo的垂直结场效应晶体管。

SiC MOSFET的一大优势是它们与传统硅 MOSFET 的相似性——甚至封装也是相同的。SiC MOSFET 的工作方式与普通硅 MOSFET 基本相同。有源极、栅极和漏极。当器件开启时,电子从重掺杂的 n型源流过轻掺杂的体区,然后通过导电基板“排出”。这种相似性意味着工程师转向 SiC 的学习曲线很小。

与GaN相比,SiC具有其他优势。SiC MOSFET 本质上是“fail-open”器件,这意味着如果控制电路因任何原因发生故障,晶体管将停止传导电流。这是一个重要的特性,因为这个特性在很大程度上消除了故障可能导致短路和火灾或爆炸的可能性。(然而,为此功能付出的代价是较低的电子迁移率,这会增加设备开启时的电阻。)

但是 GaN 正在获得新关注

GaN带来了自己独特的优势。该半导体于2000年首次在发光二极管和半导体激光器市场上实现商业化。它是第一个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商业突破之前,研究人员就已经证明了GaN在高功率电子领域的前景。GaN LED迅速流行起来,因为它们填补了高效照明的空白。但用于电子产品的GaN必须证明自己优于现有技术:特别是英飞凌用于电力电子产品的硅CoolMOS晶体管,以及用于射频电子产品的硅 LDMOS 和砷化镓晶体管。

GaN的主要优势是其极高的电子迁移率。电流,电荷的流动,等于电荷的浓度乘以它们的速度。因此,由于高浓度或高速度或两者的某种组合,您可以获得高电流。GaN晶体管是不寻常的,因为流过该器件的大部分电流是由于电子速度而不是电荷浓度。这在实践中意味着,与Si或SiC相比,更少的电荷必须流入设备以将其打开或关闭。这反过来又减少了每个开关周期所需的能量并有助于提高效率。


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两种主要类型的氮化镓晶体管之一称为增强型器件。它使用一个工作在6伏左右的栅极控制电路来控制主开关电路,当控制电路关闭时,它可以阻断600伏或更高的电压。当器件开启时(当栅极施加6V电压时),电子在称为二维电子气的平坦区域中从漏极流向源极。在这个区域,电子极易移动——这是一个有助于实现非常高开关速度的因素——并且被限制在氮化铝镓屏障之下。当设备关闭时,栅极下方的区域会耗尽电子,从而断开栅极下方的电路并停止电流流动。

同时,GaN的高电子迁移率允许开关速度达到每纳秒50伏。该特性意味着基于GaN晶体管的功率转换器可以在数百千赫兹的频率下高效运行,而硅或SiC的功率转换器的频率约为100千赫兹。

总的来说,高效率和高频使得基于GaN器件的功率转换器非常小和轻:高效率意味着更小的散热器,而在高频下运行意味着电感器和电容器也可以非常小。

GaN半导体的一个缺点是它们还没有可靠的绝缘体技术。这使故障安全设备的设计变得复杂。换句话说,如果控制电路发生故障,则故障打开。

有两种选择可以实现这种常闭特性。一种方法是为晶体管配备一种栅极,当没有电压施加到栅极时,该栅极会去除沟道中的电荷,并且仅在向该栅极施加正电压时才传导电流。这些称为增强模式设备。例如,它们由EPC、GaN Systems、Infineon、Innoscience和Navitas提供 。[参见插图,“增强型-模式GaN晶体管”]

另一个选项称为共源共栅解决方案。它使用独立的低损耗硅场效应晶体管为GaN晶体管提供故障安全功能。Power Integrations、Texas Instruments和Transphorm使用了这种共源共栅解决方案。[参见插图,“级联耗尽型 GaN 晶体管”]


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为了安全起见,当功率晶体管的控制电路发生故障时,它必须失效进入开路状态,没有电流流动。这对氮化镓器件来说是一个挑战,因为它们缺乏在高压阻断状态和载流状态下都可靠的栅极绝缘体材料。一种称为级联耗尽模式的解决方案使用硅场效应晶体管 (FET) 上的低电压信号来控制氮化镓高电子迁移率晶体管上的大得多的电压 [右上]。如果控制电路出现故障,FET栅极上的电压将降至零,并且停止传导电流 [左上图]。随着FET不再传导电流,氮化镓晶体管也停止传导,因为组合器件的漏极和源极之间不再存在闭合电路。

如果不考虑成本,任何半导体比较都是不完整的。一个粗略的经验法则是——die尺寸越小意味着成本越低,die尺寸是包含器件的集成电路的物理面积。

SiC器件现在通常具有比GaN器件更小的芯片。然而,SiC的衬底和制造成本高于GaN,而且一般来说,5千瓦及更高功率应用的最终器件成本如今相差无几。不过,未来的趋势可能有利于GaN。我的这种信念是基于GaN器件的相对简单性,这意味着生产成本低到足以克服更大的裸片尺寸。

也就是说,要使GaN适用于许多也需要高电压的大功率应用,它必须具有额定电压为1,200V的经济高效的高性能器件。毕竟,在该电压下已经有可用的SiC晶体管。目前,最接近商用的GaN晶体管的额定电压为900V。最近,Transphorm还展示了在蓝宝石衬底上制造的1,200-V器件,其电气和热性能均与SiC器件相当。

研究公司Omdia对1,200-V SiC MOSFET的预测显示2025年的价格为每安培16美分。据笔者估计,由于GaN衬底的成本较低,2025年第一代1,200-V GaN晶体管的价格将低于他们的SiC同行。当然,这只是我的意见;我们都确切地知道这将在几年内发生什么变化。

GaN 与 SiC的竞争

考虑到这些相对优势和劣势,让我们逐一考虑各个应用程序,并阐明事情可能如何发展。

电动汽车逆变器和转换器

特斯拉在2017年为其Model 3的车载或牵引逆变器采用SiC,这是该半导体的早期重大胜利。在电动汽车中,牵引逆变器将电池的直流电转换为电机的交流电。逆变器还通过改变交流电的频率来控制电机的速度。据新闻报道,如今,梅赛德斯-奔驰和Lucid Motors也在其逆变器中使用SiC,其他电动汽车制造商也计划在即将推出的车型中使用SiC。SiC器件由Infineon、OnSemi、Rohm、Wolfspeed等供应。EV牵引逆变器的功率范围通常从小型EV的约35kW到100kW到大型车辆的约400kW。

然而,将这场竞赛称为SiC还为时过早。正如我所指出的,要打入这个市场,GaN供应商必须提供1,200-V的器件。电动汽车电气系统现在通常仅在400伏电压下运行,但保时捷Taycan拥有800伏系统,奥迪、现代和起亚的电动汽车也是如此。预计其他汽车制造商将在未来几年效仿。(Lucid Air有一个 900-V系统。)我希望在2025年看到第一个商用1,200-V GaN晶体管。这些设备不仅将用于车辆,还将用于高速公共EV充电器。

GaN可能实现的更高开关速度将成为EV逆变器的一个强大优势,因为这些开关采用了所谓的硬开关技术。在这里,提高性能的方法是非常快速地从打开切换到关闭,以最大限度地减少设备保持高电压和通过高电流的时间。

除逆变器外,电动汽车通常还配备车载充电器,可通过将交流电转换为直流电,利用壁(市电)电流为车辆充电。在这里,GaN再次非常有吸引力,原因与使其成为逆变器的理想选择的原因相同。

电网应用

至少在未来十年内,用于额定电压为3kV或更高的设备的超高压电源转换仍将是SiC的领域。这些应用包括有助于稳定电网、将交流电转换为直流电并在传输级电压下再次转换回来的系统,以及其他用途。

手机、平板电脑和笔记本电脑充电器

从2019年开始,GaN Systems、Innoscience、Navitas、Power Integrations和Transphorm等公司开始销售基于GaN的壁式充电器。

GaN的高开关速度及其普遍较低的成本使其成为低功率市场(25至500W)的主导者,在这些市场中,这些因素以及小尺寸和稳健的供应链至关重要。这些早期的GaN功率转换器具有高达300kHz的开关频率和超过92%的效率。他们创造了功率密度记录,数字高达每立方英寸30W(1.83W/cmm³)——大约是他们正在更换的硅基充电器密度的两倍。


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自动化探针系统施加高压以对晶圆上的功率晶体管进行压力测试。自动化系统可在几分钟内测试大约500个裸片中的每一个。

太阳能微型逆变器

近年来,太阳能发电在电网规模和分布式(家庭)应用中都取得了成功。对于每个安装,都需要一个逆变器将太阳能电池板的直流电转换为交流电,为家庭供电或将电能释放到电网。今天,电网规模的光伏逆变器是硅 IGBT和SiC MOSFET的领域。但GaN将开始进军分布式太阳能市场,尤其是。

传统上,在这些分布式安装中,所有太阳能电池板都有一个逆变器箱。但越来越多的安装人员更喜欢这样的系统,其中每个面板都有一个单独的微型逆变器,并且在为房屋供电或为电网供电之前将交流电组合起来。这样的设置意味着系统可以监控每个面板的操作,以优化整个阵列的性能。

微型逆变器或传统逆变器系统对现代数据中心至关重要。再加上电池,他们创造了一个不间断的电源,以防止停电。此外,所有数据中心都使用功率因数校正电路,调整电源的交流波形以提高效率并消除可能损坏设备的特性。对于这些,GaN提供了一种低损耗且经济的解决方案,正在慢慢取代硅。

5G和6G基站

GaN的卓越速度和高功率密度将使其能够赢得并最终主导微波领域的应用,尤其是5G和6G无线以及商业和军用雷达。这里的主要竞争是硅LDMOS器件阵列,它们更便宜但性能较低。事实上,GaN在4GHz及以上的频率上没有真正的竞争对手。

对于5G和6G无线,关键参数是带宽,因为它决定了硬件可以有效传输多少信息。下一代5G系统将拥有近1GHz的带宽,可实现超快的视频和其他应用。

使用绝缘体上硅技术的微波通信系统提供了一种使用高频硅器件的5G+解决方案,其中每个器件的低输出功率都通过大量阵列来克服。GaN和硅将在这个领域共存一段时间。特定应用程序的赢家将取决于系统架构、成本和性能之间的权衡。

雷达

美国军方正在部署许多基于GaN电子设备的地面雷达系统。其中包括由 Northrup-Grumman 为美国海军陆战队建造的地面/空中任务导向雷达和有源电子扫描阵列雷达。雷神公司的SPY6雷达已交付给美国海军,并于2022年12月进行了首次海上测试。该系统大大扩展了舰载雷达的范围和灵敏度。

宽带隙之战才刚刚开始

如今,SiC在EV逆变器中占据主导地位,而且通常在电压阻断能力和功率处理能力至关重要且频率较低的地方。GaN是高频性能至关重要的首选技术,例如5G和6G基站,以及雷达和高频功率转换应用,例如墙上插头适配器、微型逆变器和电源。

但GaN和SiC之间的拉锯战才刚刚开始。无论竞争如何,一个应用一个应用,一个市场一个市场,我们可以肯定地说,地球环境将成为赢家。随着这一技术更新和复兴的新周期势不可挡地向前发展,未来几年将避免数十亿吨温室气体排放。

本文来自微信公众号 ,作者:IEEE,36氪经授权发布。

文章来源:https://36kr.com/p/2189086589288579

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