近年來,隨著半導(dǎo)體市場的飛速發(fā)展,第三代半導(dǎo)體材料也成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體材料指的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石(C)、氮化鋁(AlN)等新興材料。而這些新興材料中,碳化硅、氮化鎵技術(shù)目前來看相對較為成熟,,因此這兩種材料也成為近年來市場布局的重點(diǎn)。下面小編帶大家一起看一看瑞能半導(dǎo)體沈鑫在全球CEO峰會發(fā)表的關(guān)于第三代半導(dǎo)體的主題演講。
在2020年ASPENCORE舉辦的全球CEO峰會上,瑞能半導(dǎo)體(WeEn)公司首席戰(zhàn)略&業(yè)務(wù)運(yùn)營官沈鑫發(fā)表了題為“理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí),擁抱第三代半導(dǎo)體新紀(jì)元”的主題演講。這里所指的第三代半導(dǎo)體,對瑞能而言主要指SiC MOSFET器件。該市場目前主要由國際上幾家大的功率半導(dǎo)體公司所主導(dǎo),市場規(guī)模相對來說不大,但增長速度極快。瑞能從2012年開始開展碳化硅材料領(lǐng)域的器件研究,目前,碳化硅肖特基二極管已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn),并被電源客戶廣泛采用,碳化硅MOSFET產(chǎn)品也陸續(xù)推出市場。
第三代半導(dǎo)體為什么發(fā)展的這么快?
從大環(huán)境來看,過去的40年里,世界人口總數(shù)從40億增長至75億。但與此同時,全球用電量的速度卻從40年前的6000特瓦時增加到現(xiàn)在的24000特瓦時,這意味著每人所消耗的電量在過去40年中平均增加了兩倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人口增長速度。毫無疑問,這一趨勢跟我們40年內(nèi)消費(fèi)習(xí)慣、生活習(xí)慣的改變有著密不可分的關(guān)系,最具代表性的應(yīng)用新能源汽車的大量涌現(xiàn),極大帶動了二次能源的使用量。
人與人之間交流方式的改變也對此產(chǎn)生了重要的影響。貝爾先生發(fā)明電話的時候,使用很少的電量就可以維持長距離通信,但對比之下,現(xiàn)在的移動電話完成同樣距離通信所消耗的單位能量發(fā)生了顯著提升。如果再考慮AI、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理這些新興技術(shù)對電量的苛求,電氣化發(fā)展的速度實(shí)在是令人感到驚嘆。
當(dāng)然,除了設(shè)備本身耗電量的增加,能量密度也在不斷地提升中。下圖中,沈鑫對比了第一代iPhone手機(jī)和去年發(fā)布的iPhone 11的電池密度。可以看出,第一代蘋果手機(jī)的電池容量是1400毫安時,而iPhone 11的電池容量已經(jīng)超過了3000毫安時,換句話說,單位體積/單位重量所具備的電能量提升了1.5倍。
純電動汽車是另一個代表性的應(yīng)用案例。得益于電池容量和能量密度的迅猛提升,特斯拉的續(xù)航歷程目前已經(jīng)可以超過400公里,而且這一數(shù)字還在持續(xù)增加中。這就對傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件在開關(guān)頻率、散熱、耐壓等方面提出了新的挑戰(zhàn)和要求,但這些恰恰就是以SiC MOSFET為代表的第三代半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢所在。例如高熱導(dǎo)率可以降低對散熱系統(tǒng)的要求;強(qiáng)耐壓能力使得開關(guān)損耗得以降低,從而大幅提升系統(tǒng)效率,降低系統(tǒng)成本。
沈鑫援引HIS Markit的數(shù)據(jù)稱,第三代半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從2020年的10億美元增長至2025年的35億美元,年復(fù)合增長率超過20%。而這一系列數(shù)字的背后,是行業(yè)需求、供應(yīng)鏈提升和改進(jìn)、以及相關(guān)技術(shù)的巨大進(jìn)步。
例如碳化硅、氮化鎵晶圓制造缺陷密度的降低和良率的增加,穩(wěn)定了供應(yīng),不至于因?yàn)榱悸实牟▌映霈F(xiàn)供貨短缺的情況。另一方面,晶圓面積也從過去的2英寸逐步增加到現(xiàn)在主流的6英寸,一些國際領(lǐng)先廠商甚至已經(jīng)開始規(guī)劃8英寸碳化硅的產(chǎn)能,從而保證了供應(yīng)鏈的穩(wěn)定。從設(shè)計(jì)角度來看,碳化硅二極管目前具備的GBS、NBS技術(shù),大幅提升芯片本身抗電流能力的同時,還優(yōu)化了設(shè)計(jì),降低了成本。
關(guān)鍵應(yīng)用助推SiC市場起飛
目前來看,真正起到風(fēng)向標(biāo)引領(lǐng)示范作用的,是SiC MOSFET器件在特斯拉Model 3上的大規(guī)模量產(chǎn)使用。雖然目前Model 3只在主驅(qū)動逆變器上應(yīng)用了SiC MOSFET,但即便這樣,一輛車中也需要24顆SiC MOSFET器件。未來,車載充電機(jī)(OBC)、DC-DC等都會成為SiC MOSFET器件的理想使用場景,隨著電動汽車市場規(guī)模的快速增長,SiC MOSFET出貨量的顯著上升將不會令人感到意外。
新能源汽車充電樁市場的快速發(fā)展也不容小覷。30/40/100千瓦充電站的大量布局,意味著充電能量的提升和充電時間的縮短,碳化硅器件對降低充電樁整體系統(tǒng)成本,提升系統(tǒng)能量密度,改善散熱系統(tǒng)性能等,起到了積極正面的幫助。
而在光伏逆變器和風(fēng)電行業(yè),得益于低開關(guān)損耗、高頻率、高熱導(dǎo)率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),,碳化硅器件能夠在同樣體積的逆變器中輸出原來2倍以上的功率,或是降低離岸風(fēng)電的維修養(yǎng)護(hù)成本
最后一個值得關(guān)注的領(lǐng)域,是和我們生活息息相關(guān)手機(jī)快充。目前,手機(jī)充電器已經(jīng)從過去的幾瓦,提升到當(dāng)前的65瓦,甚至100瓦以上,這其中就使用了大量的氮化鎵器件。與碳化硅特性類似,氮化鎵同樣可以降低系統(tǒng)散熱要求,提升整體系統(tǒng)效率,這樣一來,同樣體積、重量的充電器就能夠輸出更大電流,以滿足快充市場的要求。在數(shù)據(jù)中心里也會遇到同樣的情況,作為用電大戶,哪怕只有0.1%-0.2%的效率提升,對全球能量消耗都會產(chǎn)生極大的節(jié)約。
挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存
但SiC是一種讓人又愛又恨的新材料。目前來看,SiC MOSFET的發(fā)展主要受制于兩個方面:碳化硅晶圓材料的品質(zhì)和產(chǎn)品價格。由于MOSFET對碳化硅晶圓材料的品質(zhì)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肖特基二極管產(chǎn)品,SiC MOSFET單顆芯片的尺寸也要大于碳化硅二極管產(chǎn)品,所以對碳化硅晶圓材料的缺陷密度有著更高的要求,更高品質(zhì)的碳化硅晶圓可以顯著提高目前SiC MOSFET芯片的良率。同時,考慮到汽車、光伏、風(fēng)電、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求極高,未來,對碳化硅材料、器件質(zhì)量的高要求會成為整個行業(yè)向前發(fā)展所必須具備的重要因素。
另一方面,碳化硅晶圓材料,特別是高品質(zhì)晶圓較高的價格也導(dǎo)致SiC MOSFET成本增加,成為制約SiC MOSFET更大規(guī)模普及和發(fā)展的要素之一。但沈鑫認(rèn)為,在可預(yù)見的未來,隨著供應(yīng)鏈的發(fā)展,其整體系統(tǒng)成本與硅基產(chǎn)品會越來越接近。
“其實(shí),即便單個碳化硅器件價格高于傳統(tǒng)硅器件,但我們更看重它在降低系統(tǒng)成本方面所起到的關(guān)鍵作用,尤其是業(yè)界一直以來在封裝、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、與硅器件相融合等方面進(jìn)行系統(tǒng)級優(yōu)化,我相信整個行業(yè)會越做越好。”他說。
在沈鑫看來,無論是在中國、歐洲還是美國,行業(yè)協(xié)會在促進(jìn)同行業(yè)中不同公司間的協(xié)作,尤其是上下游之間的協(xié)作方面,起著不可替代的作用,這對瑞能這樣的IDM公司來說更是如此,雙方合作意義巨大。
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