第三代半導(dǎo)體與硅器件將長期共存

受訪人：英飛凌科技

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導(dǎo)體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據(jù)其不同的特性，分別適用在哪些應(yīng)用領(lǐng)域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導(dǎo)體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？

　　相似之處：相較于傳統(tǒng)的硅材料，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有更大的禁帶寬度、更高的臨界場強(qiáng)，使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有耐高壓、低導(dǎo)通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。

　　不同之處及分別適用于哪些應(yīng)用：碳化硅和氮化硅這兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料之間也存在著諸多差異。

　　?適用的電壓等特性不同目標(biāo)應(yīng)用不同：碳化硅適用的電壓范圍為650 V-3.3 kV,是1200V以上的高頻器件，同時兼有功率密度高的特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，比如太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、燃料電池中的高速空氣壓縮機(jī)、DCDC和電動汽車電機(jī)驅(qū)動以及數(shù)字化趨勢下的數(shù)據(jù)中心等等，這些都將成為碳化硅的應(yīng)用市場。英飛凌在這些市場向超過3000個客戶供應(yīng)碳化硅產(chǎn)品。

　　相對于碳化硅，氮化鎵適用的電壓范圍會低一些，從中壓80 V到650 V。不過它具有快速開關(guān)頻率的特性，氮化鎵的開關(guān)頻率可以達(dá)到MHz級，因此它適用于開關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用，例如快充、數(shù)據(jù)中心等。

　　SiC/GaN增長前景：一般來說：碳化硅市場的增長是強(qiáng)勁的。最初，需求主要由工業(yè)應(yīng)用驅(qū)動，例如太陽能和電動汽車充電等，到現(xiàn)在，這一需求正日益被汽車應(yīng)用的高需求所超越。另一種非常有前途的半導(dǎo)體材料是氮化鎵。例如，在結(jié)構(gòu)緊湊、高性能和特別高效的充電系統(tǒng)領(lǐng)域，例如消費(fèi)類設(shè)備的充電器以及電信設(shè)備的電源裝置等應(yīng)用，特別顯現(xiàn)其優(yōu)勢。氮化鎵市場也將呈現(xiàn)高速增長：從4700萬美元（2020年）到8.01億美元（2025年）（CAGR：76%）。

　　英飛凌的主要產(chǎn)品：相對于友商，英飛凌的優(yōu)勢是同時擁有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要的功率半導(dǎo)體技術(shù)，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和各種應(yīng)用領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這樣可以完全做到以客戶需求為導(dǎo)向，為其提供出色的產(chǎn)品和解決方案，從而滿足客戶獨(dú)特的應(yīng)用需求。

2.隨著雙碳政策的不斷推進(jìn)，第三代半導(dǎo)體在節(jié)能增效方面能夠帶給相關(guān)的系統(tǒng)哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導(dǎo)體功率器件相關(guān)的方案可以助力系統(tǒng)的節(jié)能增效？

　　進(jìn)入后摩爾時代，一方面，人類社會追求以萬物互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)、智慧城市、智能交通等技術(shù)提高生活質(zhì)量，發(fā)展的步伐正在加速。另一方面，通過低碳生活改善全球氣候狀況也越來越成為大家的共識。

　　目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求，能源需求的日益增長，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問題，要求我們?nèi)ふ腋腔?、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式。

　　在整個能源轉(zhuǎn)換鏈中，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)能潛力可為實(shí)現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標(biāo)做出很大貢獻(xiàn)。除此之外，寬禁帶產(chǎn)品和解決方案有利于提高效率、提高功率密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在交通、新能源發(fā)電、儲能、數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、家電、個人電子設(shè)備等等極為廣泛的應(yīng)用場景中為能效提升做出貢獻(xiàn)。

　　例如在電力電子系統(tǒng)應(yīng)用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現(xiàn)，這樣的器件當(dāng)今非SiC MOSFET莫屬。

　　除高速之外，碳化硅還具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應(yīng)用。

　　功率密度是器件技術(shù)價值的另一個重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多，譬如100A 1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續(xù)流二級管之和的五分之一。因此，在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，SiC MOSFET的價值能夠得到很好的體現(xiàn)，其中包括650V SiC MOSFET。

　　在耐高壓方面，1200V以上高壓的SiC高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。這里舉兩個例子：

　　a)碳化硅器件作為高壓、高速、大電流器件，簡化了直流樁充電模塊電路結(jié)構(gòu)，提高單元功率等級，功率密度顯著提高，這為降低充電樁的系統(tǒng)成本鋪平了道路。

　　在電動汽車直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩路串聯(lián)，而如果采用SiC MOSFET，單路就可以實(shí)現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機(jī)功率。

　　采用英飛凌的碳化硅單管，充電模塊的功率可以達(dá)到30千瓦以上。采用英飛凌的碳化硅模塊，充電模塊的功率可以達(dá)到60千瓦以上。而采用MOSFET/IGBT單管的設(shè)計(jì)還是在15-30千瓦水平。

　　b)三相系統(tǒng)中的反激式輔助電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案。

　　在可靠性和質(zhì)量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問題，同時功率密度也更高。

　　正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機(jī)驅(qū)動和電動汽車等領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用。

　　然而，碳化硅是否會成為通吃一切應(yīng)用的終極解決方案呢？

　　眾所周知，硅基功率半導(dǎo)體的代表——IGBT技術(shù)，在進(jìn)一步提升性能方面遇到了一些困難。開關(guān)損耗與導(dǎo)通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來越小，于是業(yè)界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術(shù)。但是，這樣的看法不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基IGBT的技術(shù)也在進(jìn)步，伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時，針對不同的應(yīng)用而開發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和性價比。因此，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)程，必然是與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時，還有針對不同應(yīng)用的大規(guī)模商業(yè)化價值因素的考量，期望第三代器件很快在所有應(yīng)用場景中替代硅器件是不現(xiàn)實(shí)的。

3.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，在這兩個方面，第三代半導(dǎo)體主要的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應(yīng)用的可能？

　　新能源汽車：

　　在新能源汽車相關(guān)領(lǐng)域，續(xù)航里程和電池裝機(jī)量是關(guān)鍵，SiC技術(shù)能夠顯著的提升續(xù)航里程，或者相同續(xù)航里程下，降低電池裝機(jī)量和成本。因此，SiC正在越來越多地被采用，特別是在牽引主逆變器、車載充電機(jī)OBC以及高低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中。

　　SiC為上述應(yīng)用帶來的技術(shù)優(yōu)勢：

　　牽引主逆變器：

　　-提升電池利用率超過5%

　　-更高功率密度可減小系統(tǒng)尺寸

　　-輕載情況下具有更低導(dǎo)通損耗

　　-比硅基IGBT更低的開關(guān)損耗

　　-對冷卻要求較低，被動元件更少，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本

　　車載充電機(jī)OBC及DCDC：

　　-更快的開關(guān)速度有助于減少被動元件，從而提升功率密度，或者實(shí)現(xiàn)更小的尺寸。

　　-CoolSiC?車規(guī)級MOSFET在高速開關(guān)的情況下具有業(yè)界最低的開關(guān)損耗

　　-在PFC和DC-DC階段，車載充電機(jī)的效率可提升1%，因而冷卻要求更低。

　　-在圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中支持雙向充電

　　這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在未來數(shù)年中，不同的半導(dǎo)體技術(shù)將并存于市場中，在不同的應(yīng)用場景中分別具有特殊的優(yōu)勢。在牽引逆變器中，基于不同的里程、效率和成本考量，SiC和硅基IGBT各有各的發(fā)揮空間。例如，SiC用于后輪主牽引驅(qū)動，可提升巡航里程；而硅基IGBT則用于前輪，以便優(yōu)化成本。在極端情況下，例如車載充電機(jī)中，在同一架構(gòu)下，會同時采用多達(dá)五種不同的半導(dǎo)體技術(shù)，包括IGBT，硅基二極管、硅基MOSFET，超結(jié)MOSFET和SiC MOSFET。

　　英飛凌在汽車級碳化硅產(chǎn)品方面的布局：

　　英飛凌針對多種xEV系統(tǒng)已經(jīng)推出了廣泛的SiC的解決方案及全方位的車規(guī)級產(chǎn)品系列，包括CoolSiC?車用二極管、CoolSiC?車用MOSFET、全SiC模組的HybridPACK?Drive CoolSiC?等。

　　近期來看，我們在2021年3月份發(fā)布了能提供業(yè)界最佳開關(guān)和導(dǎo)通損耗的650V CoolSiC?Hybrid分立器件。與對應(yīng)的硅器件相比，它具有更高的可擴(kuò)展性，已廣泛用于多款車型。該器件在圖騰柱拓?fù)渲幸岳硐氲男詢r比完美契合了雙向充電的趨勢。

　　在5月份，英飛凌發(fā)布了用于牽引逆變器的HybridPack-Drive CoolSiC?產(chǎn)品。HybridPack-Drive系列產(chǎn)品的發(fā)貨量已超過一百萬片，被用于全球超過20個汽車平臺。新的HybridPack-Drive CoolSiC?產(chǎn)品是市場上首款經(jīng)過車規(guī)認(rèn)證的模組，與對應(yīng)的硅器件相比，可擴(kuò)展能力很強(qiáng)，可輕松覆蓋180kw功率段。該產(chǎn)品基于我們改進(jìn)的溝槽柵MOSFET技術(shù)，同時具備高可靠性和高性能的特點(diǎn)。該產(chǎn)品可用于800伏電池系統(tǒng)，具有2個可選擇的電流等級，并已在現(xiàn)代汽車（Hyundai）800V e-GMP平臺新款車型Ioniq 5上投入使用。

　　英飛凌的Si和SiC產(chǎn)品線均具有很高的可擴(kuò)展性，這是我們區(qū)別于其他品牌的重要特征。用戶可根據(jù)需要在我們的Si和SiC產(chǎn)品線中自由選擇不同的封裝、電壓等級、功率等級，總而實(shí)現(xiàn)很高的設(shè)計(jì)靈活性，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，降低設(shè)計(jì)難度。這一特點(diǎn)在諸如電動汽車之類的快速變化的市場上，是客戶非常重視的考量因素。此外，我們產(chǎn)品高效率特性幫助客戶實(shí)現(xiàn)了提升電動車?yán)m(xù)航里程的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　下圖為英飛凌汽車級CoolSiCTM產(chǎn)品的列表

　　充電樁：關(guān)于充電樁的部分，請參考第3題

4.數(shù)據(jù)中心是節(jié)能降耗的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，您認(rèn)為第三代半導(dǎo)體可以在哪些方面提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率？在數(shù)據(jù)中心中，哪些第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用又會如何影響數(shù)據(jù)中心功能的升級？

　　其實(shí)數(shù)據(jù)中心的能耗是非常大的。2021年耗電量大概是937億度電。也就是說大部分能耗其實(shí)是來源于IT設(shè)備的消耗，但是整個電源的輸電結(jié)構(gòu)、配電結(jié)構(gòu)也決定了整個數(shù)據(jù)中心的能效。所以我們看到一個新的趨勢，有可能會由現(xiàn)在的傳統(tǒng)UPS的配電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成以電力電子變壓器SST為主要接口的一體化的供電，是直流供電系統(tǒng)。

　　基于碳化硅技術(shù)，有助于這種電力電子變壓器直接將10千伏的市電轉(zhuǎn)化成380伏的直流。就當(dāng)前實(shí)際已經(jīng)開始使用的案例來看，供電效率能夠提升到95%以上，而直流配網(wǎng)的效率也可以提升到97%以上，所以相信在這一領(lǐng)域，未來在2022年也會有更多長足的發(fā)展和驗(yàn)證。在這一進(jìn)程中，我們也非常期待用英飛凌先進(jìn)的碳化硅技術(shù)，保障數(shù)據(jù)中心的供電連續(xù)性和安全性。

5.隨著第三代半導(dǎo)體材料的推廣應(yīng)用，氮化鎵除了在快充領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場以外，未來還將可能在哪些領(lǐng)域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？

　　氮化鎵市場的發(fā)展變化：這兩年硅基氮化鎵開關(guān)器件的商用化進(jìn)程，和五年前市場的普遍看法已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，其中有目共睹的是基于氮化鎵件的高功率密度快充的快速成長。這說明影響新材料市場發(fā)展的，技術(shù)只是眾多因素當(dāng)中的一個。未來五年，我們比較看好的氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域包括：消費(fèi)類快充、服務(wù)器/通信電源，馬達(dá)驅(qū)動，工業(yè)電源，音響，無線充電，激光雷達(dá)等，其中快充會繼續(xù)引領(lǐng)氮化鎵開關(guān)器件的市場成長。

　　氮化鎵落地的技術(shù)挑戰(zhàn)及英飛凌的解決方案：作為功率開關(guān)器件的硅基氮化鎵在商用化的進(jìn)程中，除了性能和價格，最引起關(guān)注的話題是長期可靠性。目前氮化鎵開關(guān)器件絕大多數(shù)都是在硅襯底上生長氮化鎵，并以二維電子氣作為溝道的GaN HEMT。從2010年IR發(fā)布的業(yè)界第一款硅基氮化鎵開關(guān)器件到現(xiàn)在，整個業(yè)界對硅基氮化鎵的研究可以說已經(jīng)很深入了，但真正大規(guī)模的應(yīng)還是在最近幾年的事。相對而言，硅乃至碳化硅在市場上運(yùn)行的時間要長得多，現(xiàn)存器件數(shù)量也大得多，因此氮化鎵相對其他兩種材料而言，可供分析的失效案例要少很多。這也是消費(fèi)類的快充成為氮化鎵快速成長引擎的其中一個原因。另外，因?yàn)楣杌壋〉募纳鷧?shù)，使其為用戶帶來極低開關(guān)損耗的優(yōu)勢之外，也大大提高了驅(qū)動此類器件的難度。

　　英飛凌很早就將著眼點(diǎn)放在硅基氮化鎵可靠性的研究實(shí)踐上，并在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)之上增加了多重措施，確保我們生產(chǎn)的硅基氮化鎵的長期可靠性遠(yuǎn)高于市場平均水平。另外，硅基氮化鎵的長期可靠性與器件在其應(yīng)用場景中的電壓擺幅、開關(guān)頻率、占空比、溫度等等都高度相關(guān)。因此我們建議用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，與硅基氮化鎵供應(yīng)商的技術(shù)支持人員就具體應(yīng)用場景作深度交流，以對長期可靠性做出評估。在器件驅(qū)動方面，英飛凌開發(fā)了專用的氮化鎵驅(qū)動器，減輕了用戶設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時的壓力。

6.隨著這一輪缺芯潮的逐漸平息，我們可以看到芯片供應(yīng)鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導(dǎo)體在供應(yīng)鏈上會有怎樣的優(yōu)化？功率半導(dǎo)體企業(yè)如何來應(yīng)對材料供應(yīng)鏈的問題？

　　?今天，英飛凌引領(lǐng)著SiC的工業(yè)應(yīng)用市場，并以業(yè)界最廣泛和最可擴(kuò)展的產(chǎn)品組合成功地推動SiC在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。公司直接或通過分銷向3,000多個客戶供貨。20多年來，碳化硅（SiC）對英飛凌來說一直很重要。早在2001年，我們就已經(jīng)在市場上推出了基于S iC的產(chǎn)品和解決方案。

　　?在去年10月份的資本市場日上，英飛凌提出了對碳化硅和氮化鎵（GaN）業(yè)務(wù)的展望。英飛凌預(yù)計(jì)，本財(cái)年碳化硅業(yè)務(wù)將增長90%，到2025年左右銷售額將達(dá)到10億美元，占有30%的市場份額。

　　?為了確保供應(yīng)的可靠性，英飛凌依靠廣泛的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)和與不同合作伙伴的共同努力。

　　?英飛凌還宣布，將投資20多億歐元在居林建立一個廠區(qū)，主要生產(chǎn)化合物半導(dǎo)體。我們還將繼續(xù)擴(kuò)大菲拉赫的產(chǎn)能。

　　?2018年，英飛凌戰(zhàn)略性地收購了Siltectra公司的晶圓和晶錠切割技術(shù)，通過大幅減少SiC生產(chǎn)過程中的原材料損耗來提高產(chǎn)出，從而提升了我們的競爭優(yōu)勢。

7.您認(rèn)為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領(lǐng)域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導(dǎo)體帶來了哪些改變？

　　至少在可見的將來，第三代半導(dǎo)體不會完全取代第一代半導(dǎo)體。因?yàn)閺男詢r比的角度來說，在非常寬的應(yīng)用范圍中，硅基半導(dǎo)體目前依然是不二之選。第三代半導(dǎo)體目前在商業(yè)化上的瓶頸就是成本很高，雖然在迅速下降，但依然遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。

　　當(dāng)然，我們可能在市面上看到一些定價接近硅基半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體器件，但并不代表它的成本就接近硅基半導(dǎo)體，那是一種商業(yè)行為，就是通過低定價來催生這個市場。以目前的工藝來講，第三代半導(dǎo)體的成本還是遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。

　　在可預(yù)見的將來，基本上硅基半導(dǎo)體還是會占據(jù)大部分市場。碳化硅主要用在高功率、高電壓的場景。氮化鎵則主要是用在追求超高頻率的場景，手機(jī)快充就是一個很顯著的例子。