第三代半導體與硅器件未來(lái)將長(cháng)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(cháng)，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問(wèn)題，要求我們去尋找更智慧、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式。在整個(gè)能源轉換鏈中，第三代半導體技術(shù)的節能潛力可為實(shí)現長(cháng)期的全球節能目標做出很大貢獻。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、數據中心、智能樓宇、家電、個(gè)人電子設備等極為廣泛的應用場(chǎng)景中為能效提升做出貢獻。

除高速之外，碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場(chǎng)強、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 與續流二級管之和的五分之一。因此，在電機驅動(dòng)應用中，SiC MOSFET 的價(jià)值能夠得到很好的體現，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(guò)提高系統的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高系統性能，提高系統功率密度。

正是由于 SiC MOSFET 這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動(dòng)汽車(chē)充電、燃料電池、電機驅動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域都有相應的應用。然而，碳化硅是否會(huì )成為通吃一切應用的終極解決方案呢？

眾所周知，硅基功率半導體的代表——IGBT 技術(shù)，在進(jìn)一步提升性能方面遇到了一些困難。開(kāi)關(guān)損耗與導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(lái)越小，于是業(yè)界開(kāi)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(zhù)封裝技術(shù)的進(jìn)步，IGBT 器件的性能和功率密度越來(lái)越高。同時(shí)，針對不同的應用而開(kāi)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中的表現，進(jìn)而提高系統性能和性?xún)r(jià)比。因此，第三代半導體的發(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)，還有針對不同應用的大規模商業(yè)化價(jià)值因素的考量，期望很快在所有應用場(chǎng)景中替代硅器件是不現實(shí)的。

1 新能源汽車(chē)的機遇

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

牽引主逆變器：

● 提升電池利用率超過(guò) 5%；

● 更高功率密度可減小系統尺寸；

● 輕載情況下具有更低導通損耗；

● 比硅基 IGBT 更低的開(kāi)關(guān)損耗；

● 對冷卻要求較低，被動(dòng)元件更少，進(jìn)而降低系統成本。

車(chē)載充電機 OBC 及 DC-DC：

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

● CoolSiC? 車(chē)規級 MOSFET 在高速開(kāi)關(guān)的情況下具有業(yè)界最低的開(kāi)關(guān)損耗；

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

● 在圖騰柱拓撲結構中支持雙向充電。

這里需要強調的是，在未來(lái)數年中，不同的半導體技術(shù)將并存于市場(chǎng)中，在不同的應用場(chǎng)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 用于后輪主牽引驅動(dòng)，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(chē)載充電機中，在同一架構下，會(huì )同時(shí)采用多達五種不同的半導體技術(shù)，包括 IGBT，硅基二極管、硅基 MOSFET，超結 MOSFET 和 SiC MOSFET。

2 氮化鎵和碳化硅應用目標

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

適用的電壓等特性不同目標應用不同：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(zhù)廣泛的應用領(lǐng)域，比如太陽(yáng)能逆變器、新能源汽車(chē)充電、軌道交通、燃料電池中的高速空氣壓縮機、DC-DC 和電動(dòng)汽車(chē)電機驅動(dòng)以及數字化趨勢下的數據中心等等，這些都將成為碳化硅的應用市場(chǎng)。英飛凌在這些市場(chǎng)向超過(guò) 3000 個(gè)客戶(hù)供應碳化硅產(chǎn)品。

相對于碳化硅，氮化鎵適用的電壓范圍會(huì )低一些，從中壓 80 V 到 650 V。不過(guò)它具有快速開(kāi)關(guān)頻率的特性，氮化鎵的開(kāi)關(guān)頻率可以達到 MHz 級，因此它適用于開(kāi)關(guān)頻率最高的中等功率應用，例如快充、數據中心等。

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體技術(shù)，在半導體設計、生產(chǎn)和各種應用領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗，這樣可以完全做到以客戶(hù)需求為導向，為其提供出色的產(chǎn)品和解決方案，從而滿(mǎn)足客戶(hù)獨特的應用需求。

3 氮化鎵落地的技術(shù)挑戰及英飛凌的解決方案

這兩年硅基氮化鎵開(kāi)關(guān)器件的商用化進(jìn)程，和五年前市場(chǎng)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(cháng)。這說(shuō)明影響新材料市場(chǎng)發(fā)展的，技術(shù)只是眾多因素當中的一個(gè)。未來(lái)五年，我們比較看好的氮化鎵的應用領(lǐng)域包括：消費類(lèi)快充、服務(wù)器 / 通信電源，馬達驅動(dòng)，工業(yè)電源，音響，無(wú)線(xiàn)充電，激光雷達等，其中快充會(huì )繼續引領(lǐng)氮化鎵開(kāi)關(guān)器件的市場(chǎng)成長(cháng)。

作為功率開(kāi)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(huà)題是長(cháng)期可靠性。目前氮化鎵開(kāi)關(guān)器件絕大多數都是在硅襯底上生長(cháng)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(kāi)關(guān)器件到現在，整個(gè)業(yè)界對硅基氮化鎵的研究可以說(shuō)已經(jīng)很深入了，但真正大規模的應還是在最近幾年的事。相對而言，硅乃至碳化硅在市場(chǎng)上運行的時(shí)間要長(cháng)得多，現存器件數量也大得多，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。這也是消費類(lèi)的快充成為氮化鎵快速成長(cháng)引擎的其中一個(gè)原因。另外，因為硅基氮化鎵超小的寄生參數，使其為用戶(hù)帶來(lái)極低開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)勢之外，也大大提高了驅動(dòng)此類(lèi)器件的難度。

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)