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未來(lái)第三代半導(dǎo)體和硅器件將長(zhǎng)期共存

（2024年11月23日更新）

目前，全球大約三分之一的能源需求是電力需求、能源需求的增長(zhǎng)、化石燃料資源的日益耗盡和氣候變化，這要求我們找到更智能、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、分銷、儲(chǔ)存和使用方法。在整個(gè)能源轉(zhuǎn)換鏈中，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的節(jié)能潛力為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期全球節(jié)能目標(biāo)做出了巨大貢獻(xiàn)。此外，寬帶產(chǎn)品和解決方案有利于提高效率、功率密度、尺寸、重量和總成本。因此，它將有助于提高交通、新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、智能建筑、家電、個(gè)人電子設(shè)備等廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的能效。

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碳化硅除高速外，還具有導(dǎo)熱性高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子漂移率高等特點(diǎn)，特別適用于高溫、高功率、高壓、高頻、抗輻射等惡劣條件。

功率密度是設(shè)備技術(shù)價(jià)值的另一個(gè)重要方面。SiCMOSFET 芯片面積比 IGBT 小很多，比如 100 A 1200 V的 SiC MOSFET 芯片大小約是 IGBT 與續(xù)流二級(jí)管之和的五分之一。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)Lumissil代理應(yīng)用中，SiCMOSFET 包括 650 VSiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200 V 以上高壓的 SiC 通過(guò)提高系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，可以提高系統(tǒng)的性能和功率密度。

正是由于 SiC MOSFET 在光伏逆變器中，這些優(yōu)異的性能，UPS、ESS、電動(dòng)汽車充電、燃料電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)汽車都有相應(yīng)的應(yīng)用。然而，碳化硅會(huì)成為所有應(yīng)用的最終解決方案嗎？

眾所周知，硅基功率半導(dǎo)體的代表——IGBT 技術(shù)在進(jìn)一步提高性能方面遇到了一些困難。開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通飽和壓降相互制約，減少損耗和提高效率的空間越來(lái)越小，因此行業(yè)開(kāi)始希望 SiC 能成為顛覆性技術(shù)。然而，這種觀點(diǎn)并不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基 IGBT 隨著包裝技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)也在進(jìn)步，IGBT 設(shè)備的性能和功率密度越來(lái)越高。同時(shí)，可以對(duì)不同應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行一些特殊的優(yōu)化，從而提高硅設(shè)備在系統(tǒng)中的性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的性能和性價(jià)比。因此，第三代半導(dǎo)體的發(fā)展過(guò)程必須伴隨著硅設(shè)備。在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，考慮到不同應(yīng)用的大規(guī)模商業(yè)價(jià)值因素，在所有應(yīng)用場(chǎng)景中快速更換硅設(shè)備是不現(xiàn)實(shí)的。

1 新能源汽車的機(jī)遇

續(xù)航里程和電池裝機(jī)量是新能源汽車相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)鍵，SiC 該技術(shù)可以顯著提高，技術(shù)可以顯著提高續(xù)航里程，降低電池裝機(jī)容量和成本。SiC 越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其是牽引主逆變器和車載充電器OBC 以及高低壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中。SiC 為上述應(yīng)用帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

牽引主逆變器：

● 超過(guò)提高電池利用率 5%；

● 系統(tǒng)尺寸可以降低更高的功率密度；

● 導(dǎo)通損失較低；

● 比硅基 IGBT 開(kāi)關(guān)損耗較低；

● 冷卻要求低，被動(dòng)元件少，從而降低系統(tǒng)成本。

車載充電機(jī) OBC 及 DC-DC：

● 更快的開(kāi)關(guān)速度有助于降低被動(dòng)元件，從而提高功率密度，或?qū)崿F(xiàn)更小的尺寸；

● CoolSiC 車規(guī)級(jí) MOSFET 行業(yè)內(nèi)高速開(kāi)關(guān)損耗最低；

● 在 PFC 和 DC-DC 在這個(gè)階段，可以提高車載充電機(jī)的效率因此，冷卻要求較低；

● 支持圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙向充電。

需要強(qiáng)調(diào)的是，未來(lái)幾年，不同的半導(dǎo)體技術(shù)將在市場(chǎng)上并存，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中具有特殊的優(yōu)勢(shì)。基于不同的里程、效率和成本，SiC 和硅基 IGBT 各有各的發(fā)揮空間。例如，SiC 后輪主牽引驅(qū)動(dòng)可提高巡航里程；硅基 IGBT 前輪用于優(yōu)化成本。在極端情況下，如車載充電機(jī)，在同一架構(gòu)下，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 氮化鎵和碳化硅的應(yīng)用目標(biāo)

與傳統(tǒng)硅材料相比，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）以第三代半導(dǎo)體材料為代表，具有較大的禁帶寬度和較高的臨界場(chǎng)強(qiáng)度，使基于這兩種材料制成的功率半導(dǎo)體具有耐高壓、導(dǎo)電阻低、寄生參數(shù)小等優(yōu)良特性。碳化硅和氮化硅許多不同。

不同目標(biāo)應(yīng)用的適用電壓等特性不同：碳化硅適用的電壓范圍為 650 V-3.3 kV，是 1200 V 上述高頻設(shè)備具有功率密度高、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，如太陽(yáng)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 以及電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)字化趨勢(shì)下的數(shù)據(jù)中心，這些都將成為碳化硅的應(yīng)用市場(chǎng)。英飛凌在這些市場(chǎng)上超越了 3000 客戶提供碳化硅產(chǎn)品。

與碳化硅相比，氮化鎵的適用電壓范圍低，從中壓 80 V 到 650 V。但它具有快速開(kāi)關(guān)頻率的特點(diǎn)，氮化鎵的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到 MHz 因此，它適用于開(kāi)關(guān)頻率最高的中等功率應(yīng)用，如快速充電、數(shù)據(jù)中心等。

與朋友相比，英飛凌具有硅、氮化鎵、碳化硅三種主要功率半導(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)，完全以客戶需求為導(dǎo)向，提供優(yōu)秀的產(chǎn)品和解決方案，滿足客戶獨(dú)特的應(yīng)用需求。

3 氮化鎵著陸的技術(shù)挑戰(zhàn)和英飛凌的解決方案

在過(guò)去的兩年里，硅基氮化鎵開(kāi)關(guān)設(shè)備的商業(yè)化過(guò)程和五年前市場(chǎng)的普遍觀點(diǎn)發(fā)生了很大的變化，其中基于高功率密度快速充電的快速增長(zhǎng)是顯而易見(jiàn)的。這說(shuō)明技術(shù)只是影響新材料市場(chǎng)發(fā)展的諸多因素之一。在接下來(lái)的五年里，我們對(duì)氮化鎵的應(yīng)用領(lǐng)域更為樂(lè)觀充電、服務(wù)器 / 通信電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、工業(yè)電源、音響、無(wú)線充電、激光雷達(dá)等，快速充電將繼續(xù)引領(lǐng)氮化鎵開(kāi)關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

硅基氮化鎵作為一種功率開(kāi)關(guān)裝置，在商業(yè)化過(guò)程中，除了性能和價(jià)格外，最受關(guān)注的話題是長(zhǎng)期可靠性。目前，氮化鎵開(kāi)關(guān)器件大多生長(zhǎng)在硅襯底上，以二維電子氣為溝道 GaN HEMT。從 2010年 IR 業(yè)內(nèi)發(fā)布的第一款硅基氮化鎵開(kāi)關(guān)設(shè)備，可以說(shuō)對(duì)硅基氮化鎵的研究非常深入，但近年來(lái)真正的大規(guī)模應(yīng)該是。相對(duì)而言，硅乃至碳化硅在市場(chǎng)上運(yùn)行的時(shí)間要長(zhǎng)得多，現(xiàn)有設(shè)備的數(shù)量也要大得多。因此，與其他兩種材料相比，氮化鎵的故障案例要少得多。這也是消費(fèi)者快速充電成為氮化鎵快速增長(zhǎng)引擎的原因之一。此外，由于硅基氮化鎵的超小寄生參數(shù)，它不僅給用戶帶來(lái)了極低的開(kāi)關(guān)損耗，而且大大提高了驅(qū)動(dòng)此類設(shè)備的難度。