《電子技術(shù)應(yīng)用》
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英飛凌程文濤:第三代半導(dǎo)體技術(shù)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰

2021-08-03
作者:韋肖葳
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用

【編者按】

2021年7月20日,第九屆EEVIA年度中國(guó)電子ICT媒體論壇暨2021產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)在深圳順利召開(kāi)。會(huì)議邀請(qǐng)了來(lái)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(chǎng)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(lái)。

 

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(chǎng)總監(jiān)程文濤先生,他為在場(chǎng)觀眾帶來(lái)了題為《低碳互聯(lián)時(shí)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(chǎng)總監(jiān)-程文濤 演講圖片備選1.jpg


英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)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(dòng)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(lái)的分享主要集中在第一點(diǎn)——能源效率上。

 


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如上圖所示,全球每年消耗的能量為16萬(wàn)TWH,約等于160萬(wàn)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(guò)風(fēng)能或者太陽(yáng)能產(chǎn)生轉(zhuǎn)化的電能。綠色部分是通過(guò)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(guò)程中,把這部分減少的話,就能夠?yàn)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/碳達(dá)峰" target="_blank">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。


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據(jù)介紹,英飛凌參與的領(lǐng)域是在整個(gè)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(yáng)能發(fā)電到電力傳輸領(lǐng)域,再到用電部分?!霸谡麄€(gè)過(guò)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(kāi)功率轉(zhuǎn)換的?!背涛臐忉?,“英飛凌主要通過(guò)開(kāi)關(guān)器件參與,有可能通過(guò)模塊、有可能通過(guò)分立器件參與,這是從能量的產(chǎn)生一直到消費(fèi)到用電部分,把整個(gè)全景描繪出來(lái)?!?/p>

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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?yàn)樗膽?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?,“它怎么提高效率的呢?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(gè)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(gè)地方,誰(shuí)來(lái)接它的棒呢?就是第三代半導(dǎo)體,它們會(huì)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(lái)的接下來(lái)兩代產(chǎn)品,都能夠接近這個(gè)物理極限?!艾F(xiàn)在我們不管是國(guó)內(nèi)的還是國(guó)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(shuō)早就起步了,但是真正很多的資本投入到這個(gè)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)?!背涛臐a(bǔ)充道。


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下圖是做一個(gè)對(duì)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?!八鼈儽鹊氖鞘裁矗勘热缥覀儸F(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(lái)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(wú)法想象,那時(shí)候誰(shuí)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(lái)做充電器,就會(huì)做得很大,以前用過(guò)一百瓦電腦的充電器就知道?,F(xiàn)在用氮化鎵的材料來(lái)做,可以做的跟我手里面這個(gè)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(kāi)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(diǎn)?,F(xiàn)在基本上每一個(gè)做電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的大廠商,都在涉足第三代半導(dǎo)體?!背涛臐缡钦f(shuō)。

 


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其實(shí),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(shì)搶占市場(chǎng)的?在程文濤看來(lái),答案就是結(jié)構(gòu)?!肮β势骷谠O(shè)計(jì)的過(guò)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(kāi)關(guān)器件可靠性的問(wèn)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(zhǎng)期可靠性上得到平衡,如果你要讓它的效率高,你給它加點(diǎn)電就能導(dǎo)通得非常徹底,那么它的門級(jí)就需要做得非常薄,這個(gè)很薄的門級(jí)結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)期運(yùn)行的時(shí)候,在大批量運(yùn)用的時(shí)候,就容易產(chǎn)生可靠性的問(wèn)題。如果你要把它的門級(jí)做的相對(duì)比較厚,就沒(méi)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(gè)問(wèn)題,這是英飛凌的碳化硅。”程文濤講道。

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英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)總監(jiān)-程文濤 演講圖片備選3.jpg

圖 源:易維訊

 

關(guān)于第三代半導(dǎo)體的價(jià)值倡議,現(xiàn)在市面上有一種常見(jiàn)的聲音——如果有的公司,創(chuàng)立的時(shí)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(lái),這種情況不會(huì)發(fā)生,至少在可見(jiàn)的將來(lái)不會(huì)。因?yàn)楣杌雽?dǎo)體目前從性價(jià)比這個(gè)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?!爱?dāng)然,我們可能在市面上看到一些定價(jià)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(jià)會(huì)比較低,目的是催生這個(gè)市場(chǎng)。但是這個(gè)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(jiàn)的將來(lái),基本上硅基半導(dǎo)體還是會(huì)占據(jù)大部分市場(chǎng)?!背涛臐J(rèn)為。

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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(yáng)能光伏的股票表現(xiàn)得非常搶眼,這也是跟這個(gè)大趨勢(shì)相應(yīng)?!耙?yàn)樵谀壳跋裉?yáng)能發(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(jiàn),很快像光伏就可以有一個(gè)爆發(fā)性的增長(zhǎng)?!背涛臐f(shuō)道。

 

除了能效之外,可靠性同樣重要。

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另外,第三代半導(dǎo)體要迅速的增長(zhǎng),還有一個(gè)關(guān)鍵的內(nèi)容,就是價(jià)格?!耙?yàn)榈浆F(xiàn)在我們除了汽車上碳化硅會(huì)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(jiàn),主要原因還是它的成本。還有剛才我們提到的可靠性,因?yàn)榈谌雽?dǎo)體畢竟相對(duì)而言是比較新的,還有很多失效模式并沒(méi)有被完全理解消化。所以這是我們所預(yù)測(cè)的,就是第三代半導(dǎo)體在價(jià)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(lái)講,短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)達(dá)到硅基半導(dǎo)體的水平?!背涛臐治龅馈?/p>


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下圖是數(shù)據(jù)中心的一些例子?!斑@個(gè)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(guó)外的谷歌、Facebook,它們的用電量超級(jí)大,第三代半導(dǎo)體是最先被考慮使用的,因?yàn)樗麄兠磕旮兜碾娰M(fèi)已經(jīng)占他們運(yùn)營(yíng)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(gè)部分已經(jīng)達(dá)到了96%,朝著98%的方向走,最后還剩下幾個(gè)點(diǎn),但是用第三代半導(dǎo)體提升了一點(diǎn)點(diǎn),能省出來(lái)的電,就是一個(gè)非常大的數(shù)額?!背涛臐f(shuō)道。

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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。

 


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除此之外還有快充?!翱斐浔緛?lái)理應(yīng)對(duì)價(jià)格非常敏感的產(chǎn)品,為什么會(huì)先用到氮化鎵這種器件呢?”程文濤講道,“其實(shí)這是市場(chǎng)催生出來(lái)的一個(gè)做法。因?yàn)榈夁@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(shí)候,一些潛在的可靠性的問(wèn)題,就不足以把它暴露出來(lái)。用什么方式來(lái)驗(yàn)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(chǎng)選擇了快充率先使用氮化鎵的一個(gè)主要原因,這也是一個(gè)很有趣的話題。當(dāng)市場(chǎng)通過(guò)這樣大規(guī)模的方式把新材料、可靠性驗(yàn)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(huì)看到更多的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用?!?/p>


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觀察上圖可以發(fā)現(xiàn),英飛凌的兩個(gè)代表性品牌,SiC、GaN都是以Cool開(kāi)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(guò)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。



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