【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(zhuān)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(huà)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) 程文濤先生

英飛凌專(zhuān)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。

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(huà),，就能夠?yàn)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/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(zhuān)注的領(lǐng)域也是這部分,，我們希望作出自己的貢獻(xiàn),。”程文濤講到,。

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,。”程文濤解釋?zhuān)坝w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),。”

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?zhuān)八趺刺岣咝实哪?？?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。”英飛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。

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,。“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(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。現(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)。現(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)。

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),。“功率器件在設(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(mén)級(jí)就需要做得非常薄，這個(gè)很薄的門(mén)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(mén)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,。

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?xún)r(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。

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,。

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(chē)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>

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(hù)，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,。”程文濤說(shuō)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?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(huà)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,。”

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,。