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    英飛凌程文濤:第三代半導體技術推動實現碳達峰

    2021-08-03
    作者:韋肖葳
    來源:電子技術應用

    【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產業和技術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、伏達半導體等多家公司的技術專家和高層管理者分享自家公司最新的技術與產品,與在場行業媒體和業內工程師共同探討產業發展現狀,共話半導體產業新未來。

     

    此次英飛凌獲邀的嘉賓是電源與傳感系統事業部市場總監程文濤先生,他為在場觀眾帶來了題為《低碳互聯時代的第三代半導體技術發展演進》的主題演講。


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    英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監 程文濤先生

     

    英飛凌專注的領域包括與公司的功率器件、傳感器、還有接口的產品等高度相關的能源效率、移動出行、安全、物聯網和大數據這幾方面。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。

     


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    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,通過風能或者太陽能產生轉化的電能。綠色部分是通過一次能源,比如火力發電轉化的電能,紅色部分就是為了轉化這些電能而損耗掉的能量?!叭绻茉诎l電的過程中,把這部分減少的話,就能夠為碳達峰、為減排做出很重要的貢獻。英飛凌專注的領域也是這部分,我們希望作出自己的貢獻?!背涛臐v到。


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

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    談及第三代半導體,那么它與以前的第一代半導體有什么不同呢?“第一代半導體就是我們現在常常用的硅基材料,第二代半導體我們可能不是太了解,因為它的應用面很窄,所以接觸的不多。第三代半導體代表性的材料就是碳化硅和氮化鎵這兩種材料,這兩種材料的產業鏈不一樣,性能也不一樣,但是在功率轉換領域,它所做出的貢獻是一樣的,就是提高效率?!背涛臐秊榇蠹医忉?,“它怎么提高效率的呢?導通損耗要盡量少,硅基半導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?就是第三代半導體,它們會一直沿著降低導通損耗一直往下走。硅基半導體目前從架構上,從可靠性方面,從性能的提升,基本上已經接近了物理極限?!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品,都能夠接近這個物理極限?!艾F在我們不管是國內的還是國外的,功率半導體的領域,第三代半導體的研究,應該說早就起步了,但是真正很多的資本投入到這個里面去,很多技術投入到這里面去,應該是最近這幾年的事情。這是單純的從能效轉換角度講,我們看到第三代半導體能作出的貢獻?!背涛臐a充道。


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    下圖是做一個對比,即碳化硅跟氮化鎵到底比硅基半導體好多少呢?圖中藍色的是硅基半導體,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??比如我們現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,比方我們現在手機用的快充,功率有的已經做到一百瓦以上,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?就是它的開關頻率可以非常高,這就是新材料在能源轉換里面的優點?,F在基本上每一個做電源轉換產品的大廠商,都在涉足第三代半導體?!背涛臐缡钦f。

     


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    其實,第三代半導體有很多廠商在做,那么英飛凌所做的第三代半導體是以何種優勢搶占市場的?在程文濤看來,答案就是結構?!肮β势骷谠O計的過程中采用的結構,這是英飛凌的碳化硅采用的結構,就是溝槽式的。這種結構解決了大多數功率開關器件可靠性的問題,現在用的都是平面結構,它比較難以在導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,這個很薄的門級結構,在長期運行的時候,在大批量運用的時候,就容易產生可靠性的問題。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。

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    英飛凌電源與傳感系統事業部市場總監-程文濤 演講圖片備選3.jpg

    圖 源:易維訊

     

    關于第三代半導體的價值倡議,現在市面上有一種常見的聲音——如果有的公司,創立的時候就是做第三代半導體的,這樣的公司它的愿景就是以第三代半導體全面取代硅器件。但是在英飛凌看來,這種情況不會發生,至少在可見的將來不會。因為硅基半導體目前從性價比這個角度,依然是在非常寬的應用范圍之內的不二之選。第三代半導體目前商業化上的瓶頸,就是它的成本很高。雖然在迅速下降,但依然遠高于硅基半導體?!爱斎?,我們可能在市面上看到一些定價接近硅基半導體的第三代半導體器件,但并不代表它的成本就接近硅基半導體,那是一種商業行為,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體目前為止,以目前的工藝,它的成本畢竟還是遠高于硅基半導體。所以在我們可預見的將來,基本上硅基半導體還是會占據大部分市場?!背涛臐J為。

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    那么第三代半導體能夠在哪些領域做出貢獻呢?關注最近的股市可以發現太陽能光伏的股票表現得非常搶眼,這也是跟這個大趨勢相應?!耙驗樵谀壳跋裉柲馨l電,或者新能源的產生,它的成本已經接近了化石能源,所以我們可以預見,很快像光伏就可以有一個爆發性的增長?!背涛臐f道。

     

    除了能效之外,可靠性同樣重要。

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    另外,第三代半導體要迅速的增長,還有一個關鍵的內容,就是價格?!耙驗榈浆F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換里面,第三代半導體還是比較少見,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。所以這是我們所預測的,就是第三代半導體在價格上,在最近這些年有望大幅度下降,朝著硅基半導體的水平去走。但成本角度來講,短時間內是不會達到硅基半導體的水平?!背涛臐治龅?。


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    下圖是數據中心的一些例子?!斑@個部分數據中心現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,第三代半導體是最先被考慮使用的,因為他們每年付的電費已經占他們運營成本的很重要部分。如果用到第三代半導體,雖然現在我們的電源轉換在這個部分已經達到了96%,朝著98%的方向走,最后還剩下幾個點,但是用第三代半導體提升了一點點,能省出來的電,就是一個非常大的數額?!背涛臐f道。

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    數據中心是率先采用第三代半導體做大功率轉換的部分,5G也是。

     


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    除此之外還有快充?!翱斐浔緛砝響獙r格非常敏感的產品,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,但是真正在功率轉換領域的商用規模還不夠大。規模不夠大的時候,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。當市場通過這樣大規模的方式把新材料、可靠性驗證了之后,我們相信應該是很快的在一些工業領域,我們會看到更多的第三代半導體應用?!?/p>


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    觀察上圖可以發現,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。


    “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體技術,能夠給全球的節能減排作出自己的貢獻?!背涛臐谧詈罂偨Y道。



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