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英飞凌程文涛:第三代半导体技术推动实现碳达峰

2021-08-03
作者:韦肖葳
来源:电子技术应用

【编者按】

2021年7月20日,第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会在深圳顺利召开。会议邀请了来自ADI,英飞凌,艾迈斯欧司朗,NI,Qorvo,安谋科技,伏达半导体等多家公司的技术专家和高层管理者分享自家公司最新的技术与产品,与在场行业媒体和业内工程师共同探讨产业发展现状,共话半导体产业新未来。

 

此次英飞凌获邀的嘉宾是电源与传感系统事业部市场总监程文涛先生,他为在场观众带来了题为《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的主题演讲。



英飞凌电源与传感系统事业部市场总监 程文涛先生

 

英飞凌专注的领域包括与公司的功率器件,传感器,还有接口的产品等高度相关的能源效率,移动出行,安全,物联网和大数据这几方面。今天程文涛为观众带来的分享主要集中在第一点——能源效率上。

 



如上图所示,全球每年消耗的能量为16万TWH,约等于160万亿度电这样的能量。其中电力占了大概三分之一,饼状图中灰色部分为可再生能源,通过风能或者太阳能产生转化的电能。绿色部分是通过一次能源,比如火力发电转化的电能,红色部分就是为了转化这些电能而损耗掉的能量。“如果能在发电的过程中,把这部分减少的话,就能够为碳达峰,为减排做出很重要的贡献。英飞凌专注的领域也是这部分,我们希望作出自己的贡献。”程文涛讲到。


 

据介绍,英飞凌参与的领域是在整个能源转换的链条里面,从发电领域,比如风力发电,太阳能发电到电力传输领域,再到用电部分。“在整个过程中,有的是与我们生活息息相关的,有的是我们用到,但自己感受不到的,比如像数据中心,我们离它虽然比较远,但我们天天在用它里面产生的数据。还有一些像通讯设备,还有一些工业设备等等,这些都是在里面离不开功率转换的。”程文涛解释,“英飞凌主要通过开关器件参与,有可能通过模块,有可能通过分立器件参与,这是从能量的产生一直到消费到用电部分,把整个全景描绘出来。”


 

谈及第三代半导体,那么它与以前的第一代半导体有什么不同呢?“第一代半导体就是我们现在常常用的硅基材料,第二代半导体我们可能不是太了解,因为它的应用面很窄,所以接触的不多。第三代半导体代表性的材料就是碳化硅和氮化镓这两种材料,这两种材料的产业链不一样,性能也不一样,但是在功率转换领域,它所做出的贡献是一样的,就是提高效率。”程文涛为大家解释,“它怎么提高效率的呢?导通损耗要尽量少,硅基半导体有它自己的物理极限,大概是0.4(Ω mm2),这是一个芯片面积和欧姆的乘积。不管硅基管做得再好,就只能做到这个地方,谁来接它的棒呢?就是第三代半导体,它们会一直沿着降低导通损耗一直往下走。硅基半导体目前从架构上,从可靠性方面,从性能的提升,基本上已经接近了物理极限。”英飞凌的期望是在几年之后,公司所做出来的接下来两代产品,都能够接近这个物理极限。“现在我们不管是国内的还是国外的,功率半导体的领域,第三代半导体的研究,应该说早就起步了,但是真正很多的资本投入到这个里面去,很多技术投入到这里面去,应该是最近这几年的事情。这是单纯的从能效转换角度讲,我们看到第三代半导体能作出的贡献。”程文涛补充道。



下图是做一个对比,即碳化硅跟氮化镓到底比硅基半导体好多少呢?图中蓝色的是硅基半导体,绿色的是碳化硅的材料,中间紫色的部分是氮化镓。“它们比的是什么?比如我们现在除了把我们的东西做得效率更高,还有一样,就是把我们的东西做得越来越小,比方我们现在手机用的快充,功率有的已经做到一百瓦以上,这在十年前无法想象,那时候谁也不能想到以后能拿上百瓦的功率给手机充电。但如果要用以前的材料来做充电器,就会做得很大,以前用过一百瓦电脑的充电器就知道。现在用氮化镓的材料来做,可以做的跟我手里面这个激光笔差不多大。要把它做得小,它需要一些什么特性呢?就是它的开关频率可以非常高,这就是新材料在能源转换里面的优点。现在基本上每一个做电源转换产品的大厂商,都在涉足第三代半导体。”程文涛如是说。

 


 


其实,第三代半导体有很多厂商在做,那么英飞凌所做的第三代半导体是以何种优势抢占市场的?在程文涛看来,答案就是结构。“功率器件在设计的过程中采用的结构,这是英飞凌的碳化硅采用的结构,就是沟槽式的。这种结构解决了大多数功率开关器件可靠性的问题,现在用的都是平面结构,它比较难以在导通损耗和长期可靠性上得到平衡,如果你要让它的效率高,你给它加点电就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。如果你要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能,而沟槽的做法就能够平衡这两个问题,这是英飞凌的碳化硅。”程文涛讲道。

 

图 源:易维讯

 

关于第三代半导体的价值倡议,现在市面上有一种常见的声音——如果有的公司,创立的时候就是做第三代半导体的,这样的公司它的愿景就是以第三代半导体全面取代硅器件。但是在英飞凌看来,这种情况不会发生,至少在可见的将来不会。因为硅基半导体目前从性价比这个角度,依然是在非常宽的应用范围之内的不二之选。第三代半导体目前商业化上的瓶颈,就是它的成本很高。虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。“当然,我们可能在市面上看到一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体,那是一种商业行为,就是定价会比较低,目的是催生这个市场。但是这个第三代半导体目前为止,以目前的工艺,它的成本毕竟还是远高于硅基半导体。所以在我们可预见的将来,基本上硅基半导体还是会占据大部分市场。”程文涛认为。


 

那么第三代半导体能够在哪些领域做出贡献呢?关注最近的股市可以发现太阳能光伏的股票表现得非常抢眼,这也是跟这个大趋势相应。“因为在目前像太阳能发电,或者新能源的产生,它的成本已经接近了化石能源,所以我们可以预见,很快像光伏就可以有一个爆发性的增长。”程文涛说道。

 

除了能效之外,可靠性同样重要。


另外,第三代半导体要迅速的增长,还有一个关键的内容,就是价格。“因为到现在我们除了汽车上碳化硅会放量上涨,日常生活中所用到的电源转换里面,第三代半导体还是比较少见,主要原因还是它的成本。还有刚才我们提到的可靠性,因为第三代半导体毕竟相对而言是比较新的,还有很多失效模式并没有被完全理解消化。所以这是我们所预测的,就是第三代半导体在价格上,在最近这些年有望大幅度下降,朝着硅基半导体的水平去走。但成本角度来讲,短时间内是不会达到硅基半导体的水平。”程文涛分析道。


 

下图是数据中心的一些例子。“这个部分数据中心现在是我们的用电大户,阿里,腾讯,包括国外的谷歌,Facebook,它们的用电量超级大,第三代半导体是最先被考虑使用的,因为他们每年付的电费已经占他们运营成本的很重要部分。如果用到第三代半导体,虽然现在我们的电源转换在这个部分已经达到了96%,朝着98%的方向走,最后还剩下几个点,但是用第三代半导体提升了一点点,能省出来的电,就是一个非常大的数额。”程文涛说道。

 

 

数据中心是率先采用第三代半导体做大功率转换的部分,5G也是。

 


 


除此之外还有快充。“快充本来理应对价格非常敏感的产品,为什么会先用到氮化镓这种器件呢?”程文涛讲道,“其实这是市场催生出来的一个做法。因为氮化镓这种材料,到目前为止,它的诞生是有些年头了,但是真正在功率转换领域的商用规模还不够大。规模不够大的时候,一些潜在的可靠性的问题,就不足以把它暴露出来。用什么方式来验证这种东西的可靠性呢?手机的快充是最好的选择,这就是为什么市场选择了快充率先使用氮化镓的一个主要原因,这也是一个很有趣的话题。当市场通过这样大规模的方式把新材料,可靠性验证了之后,我们相信应该是很快的在一些工业领域,我们会看到更多的第三代半导体应用。”


 


观察上图可以发现,英飞凌的两个代表性品牌,SiC,GaN都是以Cool开头的,这是英飞凌的品牌商标。


“这就是英飞凌的愿景,我们希望通过我们自己的第三代半导体技术,能够给全球的节能减排作出自己的贡献。”程文涛在最后总结道。



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