來(lái)源：電子產(chǎn)品世界
01氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據其不同的特性，分別適用在哪些應用領(lǐng)域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？相似之處：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。
不同之處及分別適用于哪些應用：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1200V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、DCDC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。
SiC/GaN增長(cháng)前景：一般來(lái)說(shuō)：碳化硅市場(chǎng)的增長(cháng)是強勁的。最初，需求主要由工業(yè)應用驅動(dòng)，例如太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車(chē)充電等，到現在，這一需求正日益被汽車(chē)應用的高需求所超越。另一種非常有前途的半導體材料是氮化鎵。例如，在結構緊湊、高性能和特別高效的充電系統領(lǐng)域，例如消費類(lèi)設備的充電器以及電信設備的電源裝置等應用，特別顯現其優(yōu)勢。氮化鎵市場(chǎng)也將呈現高速增長(cháng)：從4700萬(wàn)美元（2020年）到8.01億美元（2025年）（CAGR：76%）。
英飛凌的主要產(chǎn)品：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。
02隨著(zhù)雙碳政策的不斷推進(jìn)，第三代半導體在節能增效方面能夠帶給相關(guān)的系統哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導體功率器件相關(guān)的方案可以助力系統的節能增效？
進(jìn)入后摩爾時(shí)代，一方面，人類(lèi)社會(huì )追求以萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能、大數據、智慧城市、智能交通等技術(shù)提高生活質(zhì)量，發(fā)展的步伐正在加速。另一方面，通過(guò)低碳生活改善全球氣候狀況也越來(lái)越成為大家的共識。
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)人電子設備等等極為廣泛的應用場(chǎng)景中為能效提升做出貢獻。
例如在電力電子系統應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。
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100A 1200V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650V SiC MOSFET。
在耐高壓方面，1200V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。這里舉兩個(gè)例子：
a) 碳化硅器件作為高壓、高速、大電流器件，簡(jiǎn)化了直流樁充電模塊電路結構，提高單元功率等級，功率密度顯著(zhù)提高，這為降低充電樁的系統成本鋪平了道路。
在電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩路串聯(lián)，而如果采用SiC MOSFET，單路就可以實(shí)現，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。
采用英飛凌的碳化硅單管，充電模塊的功率可以達到30千瓦以上。采用英飛凌的碳化硅模塊，充電模塊的功率可以達到60千瓦以上。而采用MOSFET/IGBT單管的設計還是在15-30千瓦水平。
b) 三相系統中的反激式輔助電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案。
在可靠性和質(zhì)量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類(lèi)型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規避平面柵的柵極氧化層可靠性問(wèn)題，同時(shí)功率密度也更高。
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，期望第三代器件很快在所有應用場(chǎng)景中替代硅器件是不現實(shí)的。
03隨著(zhù)新能源汽車(chē)和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領(lǐng)域之一，您認為，在這兩個(gè)方面，第三代半導體主要的技術(shù)應用優(yōu)勢有哪些？對系統的效率和性能，又能帶來(lái)哪些新的提升以及新應用的可能？新能源汽車(chē)：
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： 車(chē)載充電機OBC及DCDC：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。
英飛凌在汽車(chē)級碳化硅產(chǎn)品方面的布局：
英飛凌針對多種xEV系統已經(jīng)推出了廣泛的SiC的解決方案及全方位的車(chē)規級產(chǎn)品系列，包括CoolSiC?車(chē)用二極管、CoolSiC?車(chē)用MOSFET、全SiC模組的HybridPACK?Drive CoolSiC?等。
近期來(lái)看，我們在2021年3月份發(fā)布了能提供業(yè)界最佳開(kāi)關(guān)和導通損耗的650V CoolSiC?Hybrid分立器件。與對應的硅器件相比，它具有更高的可擴展性，已廣泛用于多款車(chē)型。該器件在圖騰柱拓撲中以理想的性?xún)r(jià)比完美契合了雙向充電的趨勢。
在5月份，英飛凌發(fā)布了用于牽引逆變器的HybridPack-Drive CoolSiC?產(chǎn)品。HybridPack-Drive系列產(chǎn)品的發(fā)貨量已超過(guò)一百萬(wàn)片，被用于全球超過(guò)20個(gè)汽車(chē)平臺。新的HybridPack-Drive CoolSiC?產(chǎn)品是市場(chǎng)上首款經(jīng)過(guò)車(chē)規認證的模組，與對應的硅器件相比，可擴展能力很強，可輕松覆蓋180kw功率段。該產(chǎn)品基于我們改進(jìn)的溝槽柵MOSFET技術(shù)，同時(shí)具備高可靠性和高性能的特點(diǎn)。該產(chǎn)品可用于800伏電池系統，具有2個(gè)可選擇的電流等級，并已在現代汽車(chē)（Hyundai）800V e-GMP平臺新款車(chē)型Ioniq 5上投入使用。
英飛凌的Si和SiC產(chǎn)品線(xiàn)均具有很高的可擴展性，這是我們區別于其他品牌的重要特征。用戶(hù)可根據需要在我們的Si和SiC產(chǎn)品線(xiàn)中自由選擇不同的封裝、電壓等級、功率等級，從而實(shí)現很高的設計靈活性，加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，降低設計難度。這一特點(diǎn)在諸如電動(dòng)汽車(chē)之類(lèi)的快速變化的市場(chǎng)上，是客戶(hù)非常重視的考量因素。此外，我們產(chǎn)品高效率特性幫助客戶(hù)實(shí)現了提升電動(dòng)車(chē)續航里程的設計目標。
下圖為英飛凌汽車(chē)級CoolSiCTM產(chǎn)品的列表
充電樁：關(guān)于充電樁的部分，請參考第3個(gè)提問(wèn)
04數據中心是節能降耗的一個(gè)重要應用領(lǐng)域，您認為第三代半導體可以在哪些方面提升數據中心的能源利用效率？在數據中心中，哪些第三代半導體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應用。第三代半導體的應用又會(huì )如何影響數據中心功能的升級？其實(shí)數據中心的能耗是非常大的。2021年耗電量大概是937億度電。也就是說(shuō)大部分能耗其實(shí)是來(lái)源于IT設備的消耗，但是整個(gè)電源的輸電結構、配電結構也決定了整個(gè)數據中心的能效。所以我們看到一個(gè)新的趨勢，有可能會(huì )由現在的傳統UPS的配電結構轉變成以電力電子變壓器SST為主要接口的一體化的供電，是直流供電系統。
基于碳化硅技術(shù)，有助于這種電力電子變壓器直接將10千伏的市電轉化成380伏的直流。就當前實(shí)際已經(jīng)開(kāi)始使用的案例來(lái)看，供電效率能夠提升到95%以上，而直流配網(wǎng)的效率也可以提升到97%以上，所以相信在這一領(lǐng)域，未來(lái)在2022年也會(huì )有更多長(cháng)足的發(fā)展和驗證。在這一進(jìn)程中，我們也非常期待用英飛凌先進(jìn)的碳化硅技術(shù)，保障數據中心的供電連續性和安全性。05隨著(zhù)第三代半導體材料的推廣應用，氮化鎵除了在快充領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場(chǎng)以外，未來(lái)還將可能在哪些領(lǐng)域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？氮化鎵市場(chǎng)的發(fā)展變化：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)。
氮化鎵落地的技術(shù)挑戰及英飛凌的解決方案：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，但真正大規模的應用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。
英飛凌很早就將著(zhù)眼點(diǎn)放在硅基氮化鎵可靠性的研究實(shí)踐上，并在JEDEC標準之上增加了多重措施，確保我們生產(chǎn)的硅基氮化鎵的長(cháng)期可靠性遠高于市場(chǎng)平均水平。另外，硅基氮化鎵的長(cháng)期可靠性與器件在其應用場(chǎng)景中的電壓擺幅、開(kāi)關(guān)頻率、占空比、溫度等等都高度相關(guān)。因此我們建議用戶(hù)在產(chǎn)品設計中，與硅基氮化鎵供應商的技術(shù)支持人員就具體應用場(chǎng)景做深度交流，以對長(cháng)期可靠性做出評估。在器件驅動(dòng)方面，英飛凌開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的氮化鎵驅動(dòng)器，減輕了用戶(hù)設計驅動(dòng)電路時(shí)的壓力。
06隨著(zhù)這一輪缺芯潮的逐漸平息，我們可以看到芯片供應鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導體在供應鏈上會(huì )有怎樣的優(yōu)化？功率半導體企業(yè)如何來(lái)應對材料供應鏈的問(wèn)題？今天，英飛凌引領(lǐng)著(zhù)SiC的工業(yè)應用市場(chǎng)，并以業(yè)界最廣泛和最可擴展的產(chǎn)品組合成功地推動(dòng)SiC在汽車(chē)領(lǐng)域的應用。公司直接或通過(guò)分銷(xiāo)向3,000多個(gè)客戶(hù)供貨。20多年來(lái)，碳化硅（SiC）對英飛凌來(lái)說(shuō)一直很重要。早在2001年，我們就已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于SiC的產(chǎn)品和解決方案。
在去年10月份的資本市場(chǎng)日上，英飛凌提出了對碳化硅和氮化鎵（GaN）業(yè)務(wù)的展望。英飛凌預計，本財年碳化硅業(yè)務(wù)將增長(cháng)90%，到2025年左右銷(xiāo)售額將達到10億美元，占有30%的市場(chǎng)份額。
為了確保供應的可靠性，英飛凌依靠廣泛的供應商網(wǎng)絡(luò )和與不同合作伙伴的共同努力。
英飛凌還宣布，將投資20多億歐元在居林建立一個(gè)廠(chǎng)區，主要生產(chǎn)化合物半導體。我們還將繼續擴大菲拉赫的產(chǎn)能。
2018年，英飛凌戰略性地收購了Siltectra公司的晶圓和晶錠切割技術(shù)，通過(guò)大幅減少SiC生產(chǎn)過(guò)程中的原材料損耗來(lái)提高產(chǎn)出，從而提升了我們的競爭優(yōu)勢。
07您認為隨著(zhù)成本的下降，未來(lái)GaN在中低功率領(lǐng)域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導體帶來(lái)了哪些改變？至少在可見(jiàn)的將來(lái)，第三代半導體不會(huì )完全取代第一代半導體。因為從性?xún)r(jià)比的角度來(lái)說(shuō)，在非常寬的應用范圍中，硅基半導體目前依然是不二之選。第三代半導體目前在商業(yè)化上的瓶頸就是成本很高，雖然在迅速下降，但依然遠高于硅基半導體。
當然，我們可能在市面上看到一些定價(jià)接近硅基半導體的第三代半導體器件，但并不代表它的成本就接近硅基半導體，那是一種商業(yè)行為，就是通過(guò)低定價(jià)來(lái)催生這個(gè)市場(chǎng)。以目前的工藝來(lái)講，第三代半導體的成本還是遠高于硅基半導體。
在可預見(jiàn)的將來(lái)，基本上硅基半導體還是會(huì )占據大部分市場(chǎng)。碳化硅主要用在高功率、高電壓的場(chǎng)景。氮化鎵則主要是用在追求超高頻率的場(chǎng)景，手機快充就是一個(gè)很顯著(zhù)的例子。
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