我們這一代面臨的最大挑戰(zhàn)是對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)。在許多社會(huì)變革的推動(dòng)下，全球人均用電量在過(guò)去 30 年中增長(zhǎng)了 50%。我們家中的電器越來(lái)越多，所以家里的電源插座也越來(lái)越多。我們見(jiàn)證了消費(fèi)技術(shù)的蓬勃發(fā)展：手機(jī)、電腦、筆記本電腦和手表都開(kāi)始發(fā)揮作用。我們看到了以前從未見(jiàn)過(guò)的各種尺寸的電機(jī)——從玩具到車(chē)輛的支撐系統(tǒng)，再到躺椅，再到園藝工具，再到救生帶。當(dāng)然，我們現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了電動(dòng)汽車(chē)(EV) 的時(shí)代，電動(dòng)飛機(jī)也在開(kāi)發(fā)中。預(yù)計(jì)這種數(shù)字化和電氣化趨勢(shì)將繼續(xù)并加速。

今天的數(shù)據(jù)中心使用全球約 1% 的電能。預(yù)計(jì)到 2030 年，處理、大數(shù)據(jù)分析、加密貨幣挖掘、流數(shù)據(jù)、人工智能等將消耗全球 20% 以上的電力需求，其中 7% 的電力將僅用于為數(shù)據(jù)中心供電?？v觀全局，我們看到傳統(tǒng)燃料即將耗盡——最重要的是，全球變暖。在 2016 年的《巴黎協(xié)定》中，各國(guó)承諾減少排放，許多國(guó)家現(xiàn)已正式承諾到 2050 年實(shí)現(xiàn)氣候中和或凈零排放。最近在格拉斯哥舉行的 COP26 峰會(huì)上就加強(qiáng)這些目標(biāo)達(dá)成了進(jìn)一步承諾。

功率半導(dǎo)體制造商已承擔(dān)責(zé)任，因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品是碳中和的推動(dòng)者。作為工程師，我們必須提高電源轉(zhuǎn)換效率，這需要標(biāo)準(zhǔn)芯片以外的解決方案。

硅 FET 和由兩種寬帶隙 (WBG) 材料制成的器件的理論物理極限：碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。硅顯然得益于多年的發(fā)展，但也有其局限性。對(duì)于相對(duì)較新的技術(shù)，SiC 和 GaN 的性能已經(jīng)超越了傳統(tǒng)硅的極限，并且只能改進(jìn)，因此 WBG 在實(shí)現(xiàn)未來(lái)幾十年的挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用的大門(mén)是敞開(kāi)的。

基于 Yole Développement 的 2021 年報(bào)告的 GaN 預(yù)測(cè)增長(zhǎng)：市場(chǎng)處于早期階段，但在未來(lái)幾年將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，到 2026 年復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò) 70%。這是一個(gè)很好的指標(biāo)，表明將需要 WBG 來(lái)解決我們的整體電力挑戰(zhàn)：在新應(yīng)用中使用電力以最負(fù)責(zé)任的方式。

要評(píng)估采用 GaN 作為一項(xiàng)新技術(shù)，我們必須考慮四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

性能：WBG 產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)和采用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾年前無(wú)法想象的性能水平——事實(shí)上，如果沒(méi)有 WBG 設(shè)備，一些新的項(xiàng)目要求是不可能實(shí)現(xiàn)的。然而，仍有大量研究和創(chuàng)新工作要做，特別是對(duì)于 GaN，因?yàn)殡m然目前的性能水平已經(jīng)很有吸引力，但還沒(méi)有接近其理論性能極限。

成本：硅解決方案具有易于理解和接受的成本/性能水平。相比之下，今天，價(jià)格較高的 WBG 設(shè)備主要針對(duì)性能是關(guān)鍵因素的高級(jí)應(yīng)用。然而，GaN 成本將會(huì)降低，從而允許 WBG 技術(shù)的普及，正如我稍后將展示的那樣。

可用性：這是半導(dǎo)體領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵因素——只有在設(shè)備可用且供應(yīng)安全的情況下，新技術(shù)的實(shí)施才能變得廣泛。

可靠性：這包括所有其他考慮因素——它適用于產(chǎn)品性能、商業(yè)可持續(xù)性和可用性保證。所有這些元素都必須可靠。

審核編輯 黃昊宇