过去几十年里，硅(Si)基技术一直在主导着半导体行业。然而，最近几年，市场上出现了向更先进材料转变的迹象，如向氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)转变。如今，GaN和SiC在性能和效率方面实现了重大飞跃，这些进步正在改变从消费电子到工业电力系统的多个领域。
与此同时，采购部门也需要考虑这些材料的成本、质量和可用性等问题，GaN和SiC半导体目前正面临价格昂贵、缺陷密度高、材料供应链受限等难题，半导体制造商正在积极解决这些问题。
宽禁带半导体的技术优势
GaN和SiC的特性使其优于传统硅(Si)，比如它们具有更宽的带隙，这意味着有更高的击穿电压、更出色的热稳定性、更稳定的可靠性，而且在高频率和高功率下的工作效率也更高。这些特性使其在电力电子设备应用中有突出的表现，其中在变频器和可再生能源系统中尤其具有优势，因为对这些设备而言，高效率和热管理的作用极为关键。
一方面，因为GaN具有高电子迁移率特性，所以它非常适合高频应用。GaN能带来更快的开关速度、更低的能量损耗和更小的器件尺寸，这些特性使得它在微波应用中特别具备吸引力，例如5G电信和雷达系统的应用。
另一方面，SiC在高电压和高温下的坚固性特点，助其成为大功率应用的首选半导体材料，这些应用包括电动汽车(EV)动力系统、可再生能源系统和工业机械等。
现在，有许多市场力量在推动向GaN和SiC的转变，各行业都在强调要满足严格的环保法规，以及追求进一步降低运营成本，行业对高能效解决方案有非常大的需求。而在相同或相似的电力转换任务中，使用GaN和SiC器件的设备相比使用传统材料设备的能耗更低，这对于注重可持续发展的行业而言，是一个极具吸引力的选择。
电动汽车就是这种转变的典型例子。SiC能够在高温、高压下工作的特性，使得采用SiC器件的电力电子设备更高效，不仅可以延长汽车的续航里程，还能缩短动力电池的充电时间。如今，汽车制造商和供应商已经注意到这些优势，并越来越多地将基于SiC的器件集成到他们的设计中。
同样地，GaN在高频应用中的卓越表现，也促进了其在电信领域的应用进程。5G网络的部署对功率器件提出高频、高压，高效率的要求，氮化镓半导体能在高频率和高电压下工作，正在成为支持下一代无线通信的基础设施的不可或缺的部分。
其他进展还包括在GaN和SiC衬底开发中引入“纳米颗粒”。“纳米颗粒”是一种微小的颗粒，大小通常在1到100纳米之间，因其晶体结构也被称为“纳米晶体”。它是一种成本效益高的解决方案，能够用来生产各种经济型的设备，比如燃料电池和太阳能电池。与块状材料相比，纳米颗粒有更高的表面积和体积比，能显著提高设备的性能。
这一特性提升了能源应用的效率，减少了对材料的消耗。在医疗保健领域，“纳米颗粒”技术为药物输送和诊断系统带来了卓越的功能。因此，“纳米颗粒”技术可推动多个领域的降成本和提性能工作。
对制造和采购的影响
尽管GaN和SiC半导体具有诸多优势，但是它们也面临着一些挑战。与传统的硅基材料相比，GaN和SiC材料的制造工艺更加复杂，对一致性的要求也更高——其基板的可用性、缺陷密度和外延生长技术对于持续的研发至关重要。
成本高昂是主要的采购问题，GaN和SiC的生产成本明显高于Si，主要是由其生长工艺的复杂性决定的。例如，高质量GaN和SiC所需的外延生长涉及先进的技术，而这些技术比Si所使用的技术成本更高。
此外，现在大尺寸晶圆的供应有限，这不仅会增加先进半导体的使用成本，还会影响制造工艺的可扩展性。同时，还可能会阻碍一些行业采用GaN和SiC，特别是那些利润微薄的行业。
供应链和质量控制也带来了额外的挑战。GaN和SiC还处于起步阶段，这意味着能够持续生产高质量材料的供应商比较少，可能会导致产能瓶颈和交付周期的延长，使得依赖这些组件的公司的规划和生产计划更复杂。
此外，确保设备的可靠性和灵敏度需要采取严格的质量控制措施。由于这些材料缺陷密度较高，但对杂质又很敏感，其生产需要经过严格的测试和验证过程，从而也增加了整体采购的复杂性。
所幸的是，业界在应对这些挑战方面取得了重大进展。在批量生产、外延生长和器件制造方面取得的进步稳步降低了成本，并提高了氮化镓和碳化硅器件的质量。此外，随着规模经济的实现，GaN/SiC与Si的价格差距有望缩小，未来宽带隙半导体将更容易获得。
氮化镓和碳化硅的发展前景一片光明。随着对能效的持续追求，加上电动汽车和电信等行业需求激增，很可能会加速对这些先进材料的应用。从半导体制造商到最终用户/终端用户行业的利益相关者，都越来越意识到GaN和SiC的价值。
将GaN和SiC纳入供应链
总之，向GaN和SiC的转变对半导体行业意义重大。它们所具有的优越电气性能，以及对高效、高性能电子设备日益增长的需求推动了这一转变。虽然挑战依然存在，但技术进步和明确的市场需求表明，GaN和SiC将在未来的半导体技术中占据重要地位。