第三代半導(dǎo)體與硅器件未來將長期共存

目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求，能源需求的日益增長，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問題，要求我們?nèi)ふ腋腔?、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式。在整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈中，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)能潛力可為實(shí)現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標(biāo)做出很大貢獻(xiàn)。除此之外，寬禁帶產(chǎn)品和解決方案有利于提高效率、提高功率密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在交通、新能源發(fā)電、儲能、數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、家電、個(gè)人電子設(shè)備等極為廣泛的應(yīng)用場景中為能效提升做出貢獻(xiàn)。

除高速之外，碳化硅還具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應(yīng)用。

功率密度是器件技術(shù)價(jià)值的另一個(gè)重要方面。SiC MOSFET 芯片面積比 IGBT 小很多，譬如 100 A 1200 V 的 SiC MOSFET 芯片大小大約是 IGBT 與續(xù)流二級管之和的五分之一。因此，在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，SiC MOSFET 的價(jià)值能夠得到很好的體現(xiàn)，其中包括 650 V SiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200 V 以上高壓的 SiC 高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。

正是由于 SiC MOSFET 這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機(jī)驅(qū)動和電動汽車等領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用。然而，碳化硅是否會成為通吃一切應(yīng)用的終極解決方案呢？

眾所周知，硅基功率半導(dǎo)體的代表——IGBT 技術(shù)，在進(jìn)一步提升性能方面遇到了一些困難。開關(guān)損耗與導(dǎo)通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來越小，于是業(yè)界開始希望 SiC 能夠成為顛覆性的技術(shù)。但是，這樣的看法不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基 IGBT 的技術(shù)也在進(jìn)步，伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，IGBT 器件的性能和功率密度越來越高。同時(shí)，針對不同的應(yīng)用而開發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能和性價(jià)比。因此，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展進(jìn)程，必然是與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，還有針對不同應(yīng)用的大規(guī)模商業(yè)化價(jià)值因素的考量，期望很快在所有應(yīng)用場景中替代硅器件是不現(xiàn)實(shí)的。

1 新能源汽車的機(jī)遇

在新能源汽車相關(guān)領(lǐng)域，續(xù)航里程和電池裝機(jī)量是關(guān)鍵，SiC 技術(shù)能夠顯著的提升續(xù)航里程，或者相同續(xù)航里程下，降低電池裝機(jī)量和成本。因此，SiC 正在越來越多地被采用，特別是在牽引主逆變器、車載充電機(jī) OBC 以及高低壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中。SiC 為上述應(yīng)用帶來的技術(shù)優(yōu)勢。

牽引主逆變器：

● 提升電池利用率超過 5%；

● 更高功率密度可減小系統(tǒng)尺寸；

● 輕載情況下具有更低導(dǎo)通損耗；

● 比硅基 IGBT 更低的開關(guān)損耗；

● 對冷卻要求較低，被動元件更少，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。

車載充電機(jī) OBC 及 DC-DC：

● 更快的開關(guān)速度有助于減少被動元件，從而提升功率密度，或者實(shí)現(xiàn)更小的尺寸；

● CoolSiC? 車規(guī)級 MOSFET 在高速開關(guān)的情況下具有業(yè)界最低的開關(guān)損耗；

● 在 PFC 和 DC-DC 階段，車載充電機(jī)的效率可提升 1%，因而冷卻要求更低；

● 在圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中支持雙向充電。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，在未來數(shù)年中，不同的半導(dǎo)體技術(shù)將并存于市場中，在不同的應(yīng)用場景中分別具有特殊的優(yōu)勢。在牽引逆變器中，基于不同的里程、效率和成本考量，SiC 和硅基 IGBT 各有各的發(fā)揮空間。例如，SiC 用于后輪主牽引驅(qū)動，可提升巡航里程；而硅基 IGBT 則用于前輪，以便優(yōu)化成本。在極端情況下，例如車載充電機(jī)中，在同一架構(gòu)下，會同時(shí)采用多達(dá)五種不同的半導(dǎo)體技術(shù)，包括 IGBT，硅基二極管、硅基 MOSFET，超結(jié) MOSFET 和 SiC MOSFET。

2 氮化鎵和碳化硅應(yīng)用目標(biāo)

相較于傳統(tǒng)的硅材料，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有更大的禁帶寬度、更高的臨界場強(qiáng)，使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有耐高壓、低導(dǎo)通電阻、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。碳化硅和氮化硅這兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料之間也存在著諸多差異。

適用的電壓等特性不同目標(biāo)應(yīng)用不同：碳化硅適用的電壓范圍為 650 V-3.3 kV，是 1200 V 以上的高頻器件，同時(shí)兼有功率密度高的特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，比如太陽能逆變器、新能源汽車充電、軌道交通、燃料電池中的高速空氣壓縮機(jī)、DC-DC 和電動汽車電機(jī)驅(qū)動以及數(shù)字化趨勢下的數(shù)據(jù)中心等等，這些都將成為碳化硅的應(yīng)用市場。英飛凌在這些市場向超過 3000 個(gè)客戶供應(yīng)碳化硅產(chǎn)品。

相對于碳化硅，氮化鎵適用的電壓范圍會低一些，從中壓 80 V 到 650 V。不過它具有快速開關(guān)頻率的特性，氮化鎵的開關(guān)頻率可以達(dá)到 MHz 級，因此它適用于開關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用，例如快充、數(shù)據(jù)中心等。

相對于友商，英飛凌的優(yōu)勢是同時(shí)擁有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要的功率半導(dǎo)體技術(shù)，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和各種應(yīng)用領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這樣可以完全做到以客戶需求為導(dǎo)向，為其提供出色的產(chǎn)品和解決方案，從而滿足客戶獨(dú)特的應(yīng)用需求。

3 氮化鎵落地的技術(shù)挑戰(zhàn)及英飛凌的解決方案

這兩年硅基氮化鎵開關(guān)器件的商用化進(jìn)程，和五年前市場的普遍看法已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，其中有目共睹的是基于氮化鎵件的高功率密度快充的快速成長。這說明影響新材料市場發(fā)展的，技術(shù)只是眾多因素當(dāng)中的一個(gè)。未來五年，我們比較看好的氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域包括：消費(fèi)類快充、服務(wù)器 / 通信電源，馬達(dá)驅(qū)動，工業(yè)電源，音響，無線充電，激光雷達(dá)等，其中快充會繼續(xù)引領(lǐng)氮化鎵開關(guān)器件的市場成長。

作為功率開關(guān)器件的硅基氮化鎵在商用化的進(jìn)程中，除了性能和價(jià)格，最引起關(guān)注的話題是長期可靠性。目前氮化鎵開關(guān)器件絕大多數(shù)都是在硅襯底上生長氮化鎵，并以二維電子氣作為溝道的 GaN HEMT。從 2010 年 IR 發(fā)布的業(yè)界第一款硅基氮化鎵開關(guān)器件到現(xiàn)在，整個(gè)業(yè)界對硅基氮化鎵的研究可以說已經(jīng)很深入了，但真正大規(guī)模的應(yīng)還是在最近幾年的事。相對而言，硅乃至碳化硅在市場上運(yùn)行的時(shí)間要長得多，現(xiàn)存器件數(shù)量也大得多，因此氮化鎵相對其他兩種材料而言，可供分析的失效案例要少很多。這也是消費(fèi)類的快充成為氮化鎵快速成長引擎的其中一個(gè)原因。另外，因?yàn)楣杌壋〉募纳鷧?shù)，使其為用戶帶來極低開關(guān)損耗的優(yōu)勢之外，也大大提高了驅(qū)動此類器件的難度。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)