通过宽禁带半导体赋能绿色能源

近年来，半导体技术领域发生了许多变化。除了硅之外，“宽禁带”材料也越来越多地被用于各种电子设备和相关应用中。所谓的“宽禁带”半导体由碳化硅或氮化镓组成，具有显著的优势，特别是在功率密度和能源效率方面。

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09/07/2025

损耗更少、冷却需求更少、设备更小

先进的功率半导体基于特殊晶圆材料（碳化硅或氮化镓），具有提高能源效率的优势特性。无论是为了家中冰箱制冷、工厂装配线运转，还是为了让光伏系统使用太阳能发电，亦或者是为了让数据中心可靠地处理数据：日常生活中各个领域的电子应用都需要不同类型的半导体元器件进行协作，来处理电力需求。传感器、微控制器、栅极驱动器和功率器件是电力应用场景的关键要素。它们能够确保以高效、可靠、智能和安全的方式实现电能转换。

功率器件领域近几年出现了新技术，被称为宽禁带半导体：碳化硅和氮化镓。它们在能源效率方面具有诸多优势，为低碳化做出了重要贡献。这些功率半导体器件的结构和特性使得它们能够处理更高的电压和频率，并且在更高的温度下仍能平稳运行。

什么是氮化镓（GaN）？

氮化镓半导体是化合物半导体，由镓（Ga）和氮化物（N）两种元素组成。仅由GaN材料制造晶圆的生产成本过高。制造商们自有妙招：他们使用硅晶圆，并在其上涂上超薄的一层氮化镓。这种高度复杂的金属有机化学气体沉积在英飞凌的特殊反应器中进行：在这里，硅晶圆暴露在温度高达1200摄氏度的各种蒸发化学物质中。

经过复杂的化学反应，仅数千分之一毫米厚的GaN层在数小时内从气态材料中生成。随后，电路板将被连接到这一层。由于氮化镓在硅基材上的特殊排列，芯片中的电流与表面平行，而SiC中的电流则是穿过芯片的。虽然这意味着GaN芯片无法处理那么高的电压，但另一方面，它们能够以几乎无损耗的方式实现极快的开关频率。

氮化镓晶体管是设计更小、更高效的电源解决方案的关键。从技术上讲，它们可以实现更高的开关频率，同时将损耗保持在非常低的水平。这样，由于需要更少的电容器、更小的电感器和更小的散热器，GaN技术显著降低了系统成本和复杂性。如今，这项创新技术已经成为我们日常生活中许多应用和设备的一部分，例如USB-C适配器和充电器、电动汽车充电器、太阳能逆变器、电信整流器和服务器电源。这些优势对于许多用户来说非常重要：可以实现更长的电池使用寿命、更快的充电速度和增强的数据通信能力。

简而言之，GaN半导体元器件提高了功率密度、效率和可靠性。

GaN的日常应用

GaN技术应用于数据中心中——降低制冷需求并推动小型化

随着生活方式的改变、数字化进程的推进以及人工智能的持续发展，数据量也呈指数级增长。与此同时，我们发现数据中心的能源消耗也在急剧增加。国际能源署发布的报告显示，数据中心的耗电量约占全球总用电量的 2% ，即 460 TWh。而根据最新报告（2024），到2026年这一数字可能会翻一番！关键问题是：哪里需要能源、用于什么环节，以及如何减少能源需求？

您是否知道高达 40% 的数据中心能耗都被用在了冷却过程中？人们迫切需要可替代的能源解决方案。除了现有的半导体产品之外，新的宽禁带技术也在其中发挥着至关重要的作用。仅GaN技术这一项，就具备每年在全球范围内节约21 TWh用电量的潜力。综合考虑英飞凌所有功率半导体技术（Si、SiC、GaN）的影响，我们有可能助力数据中心节约高达48 TWh的可观用电量。

将GaN技术用于充电器和适配器——可以缩小尺寸、提高功率输出、减少电子垃圾

当前通信设备使用的充电器需要满足体积小、功能强大且可靠等要求。更不用说还要绿色环保了！但是电压转换过程中产生的能量损耗怎么办？如何避免这些损失？秘诀就在于使用合适的半导体技术。试想一下：如果全球每个智能手机充电器都使用英飞凌的电源管理芯片，节省的电量将相当于慕尼黑这样的大城市每年所有家庭的用电量。换句话说，我们可以节省约2.3 GWh的用电量，相当于1000多吨二氧化碳当量！

氮化镓的巨大潜力

充电器和适配器内部的先进的微电子技术可以减少废热的产生。氮化镓（GaN）半导体技术在这方面尤为有效。GaN晶体管元器件能够在电压转换器中实现更高的开关频率，同时将损耗保持在非常低的水平。简单来说，GaN半导体可以让充电器显著减少电能消耗。
GaN技术可以实现更高的功率密度。让设备变得更加小型化，但不会影响性能或充电时间。
GaN功率级和晶体管正在推动USB-C标准的发展。预计USB-C的普及将使得每年能够减少11,000吨电子垃圾。

深入了解英飞凌的 GaN 产品组合

什么是碳化硅（SiC）？

碳化硅半导体是由硅（Si）和碳（C）两种元素构成的复合半导体。与“传统”硅相比，SiC的生产非常复杂。尽管SiC在自然界中以金刚砂的形式存在，但天然的碳化硅纯度太低，因此必须像硅一样培育晶体。硅晶体在1500度左右的温度下两天内就能长到一米长，而碳化硅则需要在2400度的温度下生长长达两周才能形成一个长度最多为10厘米的原始晶体，即晶锭（puck）。接下来，使用细金刚石线将这个晶锭切割成极薄的晶圆。在锯切和研磨过程中，大约会损失一半的材料。

不过，对此已有解决方案：英飞凌采用一种名为冷切割（Cold Split）的分离技术。激光切割会形成一个“缺陷层”，并在其上涂上聚合物。在冷却过程中，半导体和与其连接的聚合物会以不同的方式膨胀。这会产生机械应力，使晶圆分裂。该工艺已经存在了一段时间，但直到应用于碳化硅的生产，它才在商业上展现出吸引力。碳化硅晶圆比硅晶圆更昂贵，并且非常薄。然而，在性能相同的情况下，SiC芯片的尺寸缩小到了Si 元器件五分之一。因此，每个晶圆获得的功率处理能力要大得多。

全球范围内，关于SiC的研究广泛开展。例如，欧盟正在斥资8900万欧元推动“欧洲SiC绿色经济价值链”项目。这是有充分理由的：根据咨询机构Yole发布的数据，到2027年，该市场规模将强劲增长至63亿美元。并且SiC对某些行业来说具有独特优势。

SiC的优势何在？

电动汽车、火车和工业驱动装置消耗的电量更少，太阳能电池板能够向电网输送更多电力，这都归功于一种材料：碳化硅。这种半导体材料在直流电和交流电转换的任何地方都能发挥其潜力——在光伏模块和电网之间、在电池和电动机之间、在电网和家用储能系统之间。大量的电力在这些转换过程中流动。通常，每次电力转换都会伴随能量损耗。SiC可以大幅降低这种损耗根据应用领域不同，专家认为损耗有可能减少30%。这很快就能累积为数兆瓦时的电量节约。