原创 可实现碳中和的功率半导体

以宽禁带功率器件日益增长的应用为先导，半导体技术和电力电子技术的进展对于减少温室气体排放、在2050年之前构建碳中和能源系统至关重要。

作者：香港大学YUHAO ZHANG

过去十年间，以GaN和SiC为基础的宽禁带功率器件的应用不断增长。这两种材料提高了电力电子系统在众多应用中的性能。但是，除了性能之外，这些先进半导体还产生了哪些影响？它们是否将在减少温室气体排放方面发挥重要作用？它们对实现碳中和是否至关重要？

近期，我与香港大学的院系同事以及弗吉尼亚理工大学和剑桥大学的同事一起，对这些重要问题进行了深入研究。今年早些时候，我们一起在Nature Reviews Electrical Engineering上发表了我们的研究成果。这篇论文贯穿材料-器件-电路-应用的所有方面，仔细研究了宽禁带半导体和电力电子器件对温室气体排放的综合影响。通过全面研究，我们得出结论：宽禁带功率半导体是实现碳中和的关键因素。

自2015年以来，已有195个国家加入《巴黎协定》，承诺减少温室气体排放，努力在2025年之前实现碳中和的目标。当前，能源生产和使用约占温室气体排放的四分之三，主要涉及四个领域：发电、交通、工业流程以及建筑物的制冷和供暖。在所有这些领域中，电力电子器件都被广泛用于电能转换，如电流和电压的升高和降低，以及交流和直流形式之间的转换。

决定电力电子系统效率、功率密度和外形尺寸的关键是功率半导体以及电路拓扑和控制。众所周知，采用GaN和SiC器件可显著提高性能，但这些器件在碳排放上的环境影响却鲜有研究。要弥合半导体技术与碳足迹之间的鸿沟，就需要采用多学科方法，涵盖材料、器件、电路和应用的所有方面。

图1. 宽禁带功率半导体在实现碳中和方面的作用

GaN和SiC功率器件的应用可从多个方面减少碳足迹。在器件和电路层面，这些宽禁带二极管和晶体管的芯片尺寸更小、性能更优越，因此碳足迹有望小于硅器件。这些优势可实现：制造晶圆所使用的能源和化学品相当的情况下，减少每个晶圆的碳足迹；转换器效率提高带来的能耗降低；去材料化，即减少无源元件和散热元件的材料用量。

在应用层面，宽禁带半导体可在三个关键方面减少碳排放。其一，它们降低了功率转换中的能耗，并降低了散热系统的能耗，例如，这些器件和协同优化的电路可使数据中心内电网边缘到处理器的电力转换效率从80%以下提高到90%以上。其二，功率器件和电路有助于可再生能源在发电领域的应用，例如，通过使用太阳能光伏、风力发电、电动汽车和热泵。其三，具有快速动态响应、高开关频率和高功率密度的电力电子器件可促进交通和建筑领域的电气化，例如，通过延长电动汽车的续航里程、缩短其充电时间并提高其能源效率。

我们从电气化和能源转换效率的角度，对可再生能源系统、电动汽车、数据中心和热泵这四个关键领域的碳减排潜力进行了分析和量化。这带来了许多有趣的发现，例如用基于GaN/SiC的光伏系统取代80%的化石燃料发电，可使美国每年减少至少12.36亿吨温室气体排放量，这相当于2.45亿辆汽油乘用车的年排放量。

根据我们的研究，美国温室气体排放量的大幅减少还可以通过其他重大举措来实现，例如用基于GaN/SiC的电动汽车取代80%的汽油车，可减少3.9亿吨的排放量。同时，在数据中心中，若以GaN和SiC器件取代硅器件，那么美国每年可减少至少170万吨温室气体排放量；若美国目前使用天然气供暖的家庭改用光伏系统驱动的热泵，那么每年可减少约2.6亿吨温室气体排放量。

为确保研究结论的严谨性，我们考量了与传统硅制造相比，GaN和SiC生产过程中涉及的额外碳排放量。尽管宽禁带器件的尺寸较小，但其生产中使用的原材料、化学品和能源可能与硅基器件大不相同。

在这部分分析中，我们根据主要功率半导体公司经第三方验证的可持续发展报告中披露的数据，调查了GaN、SiC和硅制造中按公司营收计算的标准化碳排放量。通过调查，我们估算了GaN/SiC制造的额外碳足迹。我们发现，与系统级碳减排量相比，这一数字微不足道。

我们近期发表的论文首次定量分析了宽禁带功率半导体对实现碳中和的影响，希望其能成为研究人员、工程师和政策制定者的有用参考。尽管SiC和GaN器件具有带来重大变化的潜力，但我们尚未详尽考量扩大SiC和GaN器件的部署所带来的后果，例如它们对可持续发展的影响。但我们所知道的是，要发挥宽禁带电力电子器件实现碳中和的潜力，就必须在材料、器件、电路和系统层面的进一步创新，并根据再利用、再制造和再循环的原则来设计电力电子器件。

扩展阅读

Y. Zhang et al. “Wide-bandgap semiconductors and power electronics as pathways to carbon neutrality” nature reviews electrical engineering 2 155 (2025)

来源：雅时化合物半导体

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