【編者按】

2021年7月20日，第九屆EEVIA年度中國電子ICT媒體論壇暨2021產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會在深圳順利召開。會議邀請了來自ADI、英飛凌、艾邁斯歐司朗、NI、Qorvo、安謀科技、伏達(dá)半導(dǎo)體等多家公司的技術(shù)專家和高層管理者分享自家公司最新的技術(shù)與產(chǎn)品，與在場行業(yè)媒體和業(yè)內(nèi)工程師共同探討產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，共話半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新未來。

此次英飛凌獲邀的嘉賓是電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān)程文濤先生，他為在場觀眾帶來了題為《低碳互聯(lián)時代的第三代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展演進(jìn)》的主題演講。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場總監(jiān) 程文濤先生

英飛凌專注的領(lǐng)域包括與公司的功率器件、傳感器、還有接口的產(chǎn)品等高度相關(guān)的能源效率、移動出行、安全、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)這幾方面。今天程文濤為觀眾帶來的分享主要集中在第一點——能源效率上。

如上圖所示，全球每年消耗的能量為16萬TWH，約等于160萬億度電這樣的能量。其中電力占了大概三分之一，餅狀圖中灰色部分為可再生能源，通過風(fēng)能或者太陽能產(chǎn)生轉(zhuǎn)化的電能。綠色部分是通過一次能源，比如火力發(fā)電轉(zhuǎn)化的電能，紅色部分就是為了轉(zhuǎn)化這些電能而損耗掉的能量?！叭绻茉诎l(fā)電的過程中，把這部分減少的話，就能夠為碳達(dá)峰、為減排做出很重要的貢獻(xiàn)。英飛凌專注的領(lǐng)域也是這部分，我們希望作出自己的貢獻(xiàn)?！背涛臐v到。

據(jù)介紹，英飛凌參與的領(lǐng)域是在整個能源轉(zhuǎn)換的鏈條里面，從發(fā)電領(lǐng)域，比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電到電力傳輸領(lǐng)域，再到用電部分?！霸谡麄€過程中，有的是與我們生活息息相關(guān)的，有的是我們用到，但自己感受不到的，比如像數(shù)據(jù)中心，我們離它雖然比較遠(yuǎn)，但我們天天在用它里面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。還有一些像通訊設(shè)備，還有一些工業(yè)設(shè)備等等，這些都是在里面離不開功率轉(zhuǎn)換的?！背涛臐忉?，“英飛凌主要通過開關(guān)器件參與，有可能通過模塊、有可能通過分立器件參與，這是從能量的產(chǎn)生一直到消費到用電部分，把整個全景描繪出來?！?/p>

談及第三代半導(dǎo)體，那么它與以前的第一代半導(dǎo)體有什么不同呢？“第一代半導(dǎo)體就是我們現(xiàn)在常常用的硅基材料，第二代半導(dǎo)體我們可能不是太了解，因為它的應(yīng)用面很窄，所以接觸的不多。第三代半導(dǎo)體代表性的材料就是碳化硅和氮化鎵這兩種材料，這兩種材料的產(chǎn)業(yè)鏈不一樣，性能也不一樣，但是在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，它所做出的貢獻(xiàn)是一樣的，就是提高效率?！背涛臐秊榇蠹医忉專八趺刺岣咝实哪?？導(dǎo)通損耗要盡量少，硅基半導(dǎo)體有它自己的物理極限，大概是0.4（Ω mm2），這是一個芯片面積和歐姆的乘積。不管硅基管做得再好，就只能做到這個地方，誰來接它的棒呢？就是第三代半導(dǎo)體，它們會一直沿著降低導(dǎo)通損耗一直往下走。硅基半導(dǎo)體目前從架構(gòu)上，從可靠性方面，從性能的提升，基本上已經(jīng)接近了物理極限?！庇w凌的期望是在幾年之后，公司所做出來的接下來兩代產(chǎn)品，都能夠接近這個物理極限?！艾F(xiàn)在我們不管是國內(nèi)的還是國外的，功率半導(dǎo)體的領(lǐng)域，第三代半導(dǎo)體的研究，應(yīng)該說早就起步了，但是真正很多的資本投入到這個里面去，很多技術(shù)投入到這里面去，應(yīng)該是最近這幾年的事情。這是單純的從能效轉(zhuǎn)換角度講，我們看到第三代半導(dǎo)體能作出的貢獻(xiàn)。”程文濤補充道。

下圖是做一個對比，即碳化硅跟氮化鎵到底比硅基半導(dǎo)體好多少呢？圖中藍(lán)色的是硅基半導(dǎo)體，綠色的是碳化硅的材料，中間紫色的部分是氮化鎵。“它們比的是什么？比如我們現(xiàn)在除了把我們的東西做得效率更高，還有一樣，就是把我們的東西做得越來越小，比方我們現(xiàn)在手機(jī)用的快充，功率有的已經(jīng)做到一百瓦以上，這在十年前無法想象，那時候誰也不能想到以后能拿上百瓦的功率給手機(jī)充電。但如果要用以前的材料來做充電器，就會做得很大，以前用過一百瓦電腦的充電器就知道?，F(xiàn)在用氮化鎵的材料來做，可以做的跟我手里面這個激光筆差不多大。要把它做得小，它需要一些什么特性呢？就是它的開關(guān)頻率可以非常高，這就是新材料在能源轉(zhuǎn)換里面的優(yōu)點?，F(xiàn)在基本上每一個做電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的大廠商，都在涉足第三代半導(dǎo)體。”程文濤如是說。

其實，第三代半導(dǎo)體有很多廠商在做，那么英飛凌所做的第三代半導(dǎo)體是以何種優(yōu)勢搶占市場的？在程文濤看來，答案就是結(jié)構(gòu)。“功率器件在設(shè)計的過程中采用的結(jié)構(gòu)，這是英飛凌的碳化硅采用的結(jié)構(gòu)，就是溝槽式的。這種結(jié)構(gòu)解決了大多數(shù)功率開關(guān)器件可靠性的問題，現(xiàn)在用的都是平面結(jié)構(gòu)，它比較難以在導(dǎo)通損耗和長期可靠性上得到平衡，如果你要讓它的效率高，你給它加點電就能導(dǎo)通得非常徹底，那么它的門級就需要做得非常薄，這個很薄的門級結(jié)構(gòu)，在長期運行的時候，在大批量運用的時候，就容易產(chǎn)生可靠性的問題。如果你要把它的門級做的相對比較厚，就沒辦法充分利用溝道的導(dǎo)通性能，而溝槽的做法就能夠平衡這兩個問題，這是英飛凌的碳化硅?！背涛臐v道。

圖 源：易維訊

關(guān)于第三代半導(dǎo)體的價值倡議，現(xiàn)在市面上有一種常見的聲音——如果有的公司，創(chuàng)立的時候就是做第三代半導(dǎo)體的，這樣的公司它的愿景就是以第三代半導(dǎo)體全面取代硅器件。但是在英飛凌看來，這種情況不會發(fā)生，至少在可見的將來不會。因為硅基半導(dǎo)體目前從性價比這個角度，依然是在非常寬的應(yīng)用范圍之內(nèi)的不二之選。第三代半導(dǎo)體目前商業(yè)化上的瓶頸，就是它的成本很高。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，就是定價會比較低，目的是催生這個市場。但是這個第三代半導(dǎo)體目前為止，以目前的工藝，它的成本畢竟還是遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。所以在我們可預(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?！背涛臐J(rèn)為。

那么第三代半導(dǎo)體能夠在哪些領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)呢？關(guān)注最近的股市可以發(fā)現(xiàn)太陽能光伏的股票表現(xiàn)得非常搶眼，這也是跟這個大趨勢相應(yīng)?！耙驗樵谀壳跋裉柲馨l(fā)電，或者新能源的產(chǎn)生，它的成本已經(jīng)接近了化石能源，所以我們可以預(yù)見，很快像光伏就可以有一個爆發(fā)性的增長。”程文濤說道。

除了能效之外，可靠性同樣重要。

另外，第三代半導(dǎo)體要迅速的增長，還有一個關(guān)鍵的內(nèi)容，就是價格。“因為到現(xiàn)在我們除了汽車上碳化硅會放量上漲，日常生活中所用到的電源轉(zhuǎn)換里面，第三代半導(dǎo)體還是比較少見，主要原因還是它的成本。還有剛才我們提到的可靠性，因為第三代半導(dǎo)體畢竟相對而言是比較新的，還有很多失效模式并沒有被完全理解消化。所以這是我們所預(yù)測的，就是第三代半導(dǎo)體在價格上，在最近這些年有望大幅度下降，朝著硅基半導(dǎo)體的水平去走。但成本角度來講，短時間內(nèi)是不會達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平?！背涛臐治龅?。

下圖是數(shù)據(jù)中心的一些例子。“這個部分?jǐn)?shù)據(jù)中心現(xiàn)在是我們的用電大戶，阿里、騰訊，包括國外的谷歌、Facebook，它們的用電量超級大，第三代半導(dǎo)體是最先被考慮使用的，因為他們每年付的電費已經(jīng)占他們運營成本的很重要部分。如果用到第三代半導(dǎo)體，雖然現(xiàn)在我們的電源轉(zhuǎn)換在這個部分已經(jīng)達(dá)到了96%，朝著98%的方向走，最后還剩下幾個點，但是用第三代半導(dǎo)體提升了一點點，能省出來的電，就是一個非常大的數(shù)額?！背涛臐f道。

數(shù)據(jù)中心是率先采用第三代半導(dǎo)體做大功率轉(zhuǎn)換的部分，5G也是。

除此之外還有快充?！翱斐浔緛砝響?yīng)對價格非常敏感的產(chǎn)品，為什么會先用到氮化鎵這種器件呢？”程文濤講道，“其實這是市場催生出來的一個做法。因為氮化鎵這種材料，到目前為止，它的誕生是有些年頭了，但是真正在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的商用規(guī)模還不夠大。規(guī)模不夠大的時候，一些潛在的可靠性的問題，就不足以把它暴露出來。用什么方式來驗證這種東西的可靠性呢？手機(jī)的快充是最好的選擇，這就是為什么市場選擇了快充率先使用氮化鎵的一個主要原因，這也是一個很有趣的話題。當(dāng)市場通過這樣大規(guī)模的方式把新材料、可靠性驗證了之后，我們相信應(yīng)該是很快的在一些工業(yè)領(lǐng)域，我們會看到更多的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用?！?/p>

觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，英飛凌的兩個代表性品牌，SiC、GaN都是以Cool開頭的，這是英飛凌的品牌商標(biāo)。

“這就是英飛凌的愿景，我們希望通過我們自己的第三代半導(dǎo)體技術(shù)，能夠給全球的節(jié)能減排作出自己的貢獻(xiàn)。”程文濤在最后總結(jié)道。