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低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进

2021-07-29 赵明灿 阅读:
日前,在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会上,英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛带来《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的演讲主题。

日前,在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会上,英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛带来《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的演讲主题。FrHednc

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第三代半导体是已经写到我国“十四五”计划里的一个内容,在半导体行业是一个很热的话题。“可能你没有感觉到,很早的时候我们就已经开始用第三代半导体了。比如,十年前,我们国内的基站射频功放,基本上就使用氮化镓来做。2018年,特斯拉在发布其Model3时,就开始在汽车上用碳化硅作为逆变器器件,这是引爆第三代半导体大规模应用的一个事件。”程文涛介绍说。FrHednc

碳达峰是现在很热的话题。全球能源的消耗量导致二氧化碳的排放量与日俱增。目前全世界国家在这方面都已达成共识。这个过程中怎么去减少排放,在方法上这是很重要的要讨论的地方。FrHednc

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如下图所示,全球每年消耗的能量为16万TWh,相当于160万亿度电的能量。深绿色代表的是一次能源,就是指化石能源,还有一些风力水力等等能源。除了化石能源之外,大部分能源都是通过电体现的,电占了大概三分之一。其中深灰色部分就是可再生能源,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。FrHednc

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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,英飞凌在这个领域里面的市占率非常高,在电力传输领域,也是参与度非常高。FrHednc

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说到第三代半导体,它在能源转换里到底与以前所谓的第一代半导体有什么不同?第一代半导体就是现在常用的硅基材料。第二代半导体我们可能不是太了解,因为它的应用面很窄,所以接触得不多。第三代半导体代表性的材料就是碳化硅和氮化镓这两种,它们的产业链不一样,性能也不一样,但是在功率转换领域,它们所做出的贡献是一样的,就是提高效率。FrHednc

它是怎么提高效率的呢?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0.4Ω·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。它们可以一直沿着降低导通损耗往下走。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。英飞凌预期在几年之后所做出来的下两代产品,就能够接近这个物理极限。现在不管是在国内还是国外的功率半导体领域,第三代半导体的研究早就起步了,但是真正大量投资这个领域却是最近几年的事情。这是单纯从能效转换的角度讲,第三代半导体所能做出的贡献。FrHednc

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那么在电源转换能效节省的过程中,它扮演的地位是什么?下图是从交流电转换到给服务器主板供电的过程效率图。红色的曲线就是现在比较热门使用的一个结构,叫图腾柱PFC。这个图腾柱PFC以前在硅基半导体的时候很难达成。CCM模式的图腾柱PFC(左),其好处是用的材料最少,效率最高。硅基半导体是完不成的,它必须要用元件比较多的结构来实现相对比较高的效率。但是碳化硅或者氮化镓,就能用很少的器件做到很高的效率。例如,在服务器和通信电源领域,将交流电转到48伏的情况,98%已经是能达到的效率了。因此,这又带出另外一个话题,就是在能源转换部分,我们能做的事情也已经不太多了,尤其在交流转直流部分。剩下谁在担负节能减排的责任呢?其实现在担负节能减排责任更重要的是CPU和射频发射部分。这两个部分的效率是整个从产生电到用电部分的瓶颈所在。但是在能效转换部分,第三代半导体依旧是能够在有限提升的基础上,再往前跨一步的关键因素。FrHednc

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碳化硅和氮化镓到底比硅基半导体好多少?下图中蓝色的就是硅基半导体,绿色的是碳化硅材料,中间紫色的部分是氮化镓。它们比的是什么?现在除了把产品做得效率更高,还有一样可比的就是把产品做得越来越小。比如现在手机用的快充,功率有的已经做到一百瓦以上。但如果要用以前的材料来做充电器,就会做得很大。现在用氮化镓材料来做,就可以做得很小。把体积做得小,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。FrHednc

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下图是对硅、氮化镓和碳化硅的详细比较,说明为什么第三代半导体可以提升效率。这里面的重点就是,第三代半导体材料由于其禁带宽度远远高于硅,导致它做出来的器件的寄生参数特别小,因此它就能够带来上述那些好处。FrHednc

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第三代半导体有很多厂商在做,英飞凌所做的第三代半导体的差异化在什么地方?主要是结构。英飞凌碳化硅功率器件在设计的过程中所采用的结构是沟槽式的。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得相对比较厚,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。”程文涛指出。FrHednc

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用氮化镓做电源有个麻烦,就是推动它很难。“不是说很难打开,是太容易打开了。你要推动它的时候,那个门级对你进来的电压非常敏感。”程文涛解释说。怎么样能够让它脱敏呢?这就是英飞凌的结构所带来的好处。FrHednc

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这是一个更细致的问题,就是寄生参数减小了。简单地说,第三代半导体的Qoss远远地小于现有的硅基产品的Qoss,每次开关过程中这个电量不可避免地要变成热耗散掉。这个Q越小,每次开关过程损耗的就越小,这是省电的原理。FrHednc

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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,那就是如果有的公司在创立的时候就是做第三代半导体的,那么这样的公司,它的倡议或者愿景就是以第三代半导体全面取代硅器件。“会不会这样呢?我们认为不会,至少在可见的将来不会。因为硅基半导体目前从性价比的角度看,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。”程文涛指出。FrHednc

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“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。但是第三代半导体以目前的工艺,它的成本毕竟还是远高于硅基半导体。所以,在可预见的将来,基本上硅基半导体还是会占据大部分市场。碳化硅主要用在高功率、高电压的场景;氮化镓主要是用在追求超高频率的场景。例如前面所说的手机快充就是一个很显著的例子,还有很多的场景是需要用这种超高频器件的。”程文涛表示。FrHednc

比方说5G的基站。因为它架设的数量一定会远远多于4G,因为带宽很高,每一个基站模块所覆盖的范围一定要比4G基站范围小很多,所以架设的数量要更多。架设的时候,肯定是期望基站本身,包括电源转换的模块越小越好。小到什么程度?小到一个安装工扛着它就可以把它塔上去,挂上去,拧上去。这是大家做产品的时候所追求的目标,不管是华为还是爱立信,追求的就是这样的方向。因此在这样一些对性能要求很高的产品,第三代半导体就会扮演很重要的角色。FrHednc

另外,第三代半导体所体现的形式有单颗,也有做成模块的。FrHednc

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那么,到底第三代半导体能够在哪些领域做出贡献?下图是能源发电过程中产生的情形。“比如像这个绿色的部分,就是全球的各个国家的电力部门投资的趋势。最近在股市上,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呼应。因为在目前像太阳能发电,或者新能源的产生方面,它的成本已经接近了化石能源,所以可以预见,很快像光伏就可以有一个爆发性的增长。”程文涛认为。FrHednc

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当然在整个过程中,尤其在能源转换过程中,除了能效之外,有一个很重要的话题,就是可靠性。“因为很多东西一旦装上去之后,其实是很不希望经常维护修复,所以可靠性在这个领域是非常重要的内容。”程文涛指出。FrHednc

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第三代半导体要迅速的增长,还有一个重要的内容,就是价格。因为到现在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。此外,在可靠性方面,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。所以根据预测,第三代半导体在价格上最近这些年有望大幅度下降,朝着硅基半导体的水平去走。但从成本角度来讲,短时间内是不会达到硅基半导体的水平。FrHednc

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在用电领域,下图是数据中心的一些例子,比如谷歌的用电效率。在这方面,数据中心现在是用电大户,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,因为它们每年付的电费已经占其运营成本的很重要部分。FrHednc

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虽然现在电源转换的效率已经达到了96%,朝着98%的方向走,最后还剩下几个百分点,但是用第三代半导体哪怕只是提升了一点点,能省出来的电,就是一个非常大的数额。FrHednc

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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。FrHednc

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另外,在快充方面,快充本来理应是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?这是市场催生出来的一个做法。程文涛解释说,“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,我们相信在一些工业领域,应该很快会看到更多的第三代半导体应用。” FrHednc

英飞凌的两个代表性的品牌,SiC、GaN都是以Cool开头的,这是英飞凌的品牌商标。FrHednc

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“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。”程文涛总结说。FrHednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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