寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體：切實(shí)可靠的節(jié)能降耗解決方案

受訪人：Filippo Di Giovanni（意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)）

1.氮化鎵和碳化硅同屬第三代半導(dǎo)體，在材料特性上有什么相似之處和不同之處？根據(jù)其不同的特性，分別適用在哪些應(yīng)用領(lǐng)域？貴公司目前在SiC和GaN兩種材料的半導(dǎo)體器件方面都有哪些主要的產(chǎn)品？

　　意法半導(dǎo)體的第三代碳化硅是我們的STPOWER SiC MOSFET技術(shù)改良研發(fā)活動(dòng)取得的新進(jìn)展，是為了更好地滿足電動(dòng)汽車廠商在用碳化硅設(shè)計(jì)的動(dòng)力電機(jī)逆變器、車載充電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)的嚴(yán)格要求。在高端工業(yè)領(lǐng)域，我們的第三代碳化硅技術(shù)還能破解所有應(yīng)用限制難題，例如充電樁等產(chǎn)品。

　　氮化鎵GaN是另一個(gè)重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，在技術(shù)成熟度方面稍微落后于碳化硅SiC。盡管如此，設(shè)備制造商還是繼續(xù)采用氮化鎵設(shè)計(jì)產(chǎn)品，主要用于開發(fā)大規(guī)模市場產(chǎn)品如電源適配器和無線充電器等。氮化鎵在汽車市場上應(yīng)用前景廣闊，可用于開發(fā)下一代車載充電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。換言之，意法半導(dǎo)體第三代SiC領(lǐng)先于市面上現(xiàn)有的GaN技術(shù)。這兩種材料可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，碳化硅適合高壓和高功率應(yīng)用領(lǐng)域，而氮化鎵更適合高開關(guān)頻率的中低功率轉(zhuǎn)換器。

2.功率器件是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件，第三代半導(dǎo)體在功率器件應(yīng)用方面有哪些技術(shù)上的優(yōu)勢，又能帶來哪些技術(shù)指標(biāo)方面的突破和新應(yīng)用的涌現(xiàn)？

　　第三代STPOWER SiC MOSFET在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗方面都比上一代有所改進(jìn)。所涉及的主要品質(zhì)因數(shù)是導(dǎo)通電阻和柵極電荷與導(dǎo)通電阻的乘積兩個(gè)重要參數(shù)。與硅基MOSFET相比，改進(jìn)幅度非常大，總損耗降低高達(dá)80%。

3.隨著雙碳政策的不斷推進(jìn)，第三代半導(dǎo)體在節(jié)能增效方面能夠帶給相關(guān)的系統(tǒng)哪些全新的競爭優(yōu)勢，貴公司有哪些與第三代半導(dǎo)體功率器件相關(guān)的方案可以助力系統(tǒng)的節(jié)能增效？

　　減少能源轉(zhuǎn)換損耗和提高能效是人們的不懈追求，新的寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體是一個(gè)切實(shí)可靠的節(jié)能降耗解決方案，可以通過系統(tǒng)方式減少碳足跡來減輕技術(shù)對環(huán)境的影響。例如，我們最新的650V、750V和1,200V STPOWER系列碳化硅MOSFET晶體管，可以讓設(shè)計(jì)人員開發(fā)續(xù)航里程更長的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)。更高的能效可以大幅簡化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更小更輕的電子設(shè)備有助于最大限度降低車自重，在相同電量條件下，自重更輕的汽車行跑得更遠(yuǎn)。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，您認(rèn)為在這兩個(gè)方面，第三代半導(dǎo)體主要的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢有哪些？對系統(tǒng)的效率和性能，又能帶來哪些新的提升以及新應(yīng)用的可能？

　　目前在全球有90多個(gè)不同的項(xiàng)目在用第三代平面STPOWER SiC MOSFET。選擇它們是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)極大地提高了能效。從意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)角度來看，我們現(xiàn)在專注于下一次迭代，第四代碳化硅技術(shù)將在減少總損耗方面又向前邁進(jìn)一步，有助于進(jìn)一步提高能效。

5.數(shù)據(jù)中心是節(jié)能降耗的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，您認(rèn)為第三代半導(dǎo)體可以在哪些方面提升數(shù)據(jù)中心的能源利用效率？在數(shù)據(jù)中心中，哪些第三代半導(dǎo)體的產(chǎn)品可以得到廣泛的應(yīng)用?第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用又會如何影響數(shù)據(jù)中心功能的升級？

　　我們的第三代碳化硅STPOWER GEN3 SiC MOSFET系列目前正用于數(shù)據(jù)中心設(shè)備，可顯著提高能效。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域，我們還開始提供一些GaN晶體管樣片。能耗大的數(shù)據(jù)中心將是這些新材料帶來的巨大好處的主要受益者之一。

6.隨著第三代半導(dǎo)體材料的推廣應(yīng)用，氮化鎵除了在快充領(lǐng)域迅速占領(lǐng)市場以外，未來還將可能在哪些領(lǐng)域嶄露頭角？貴公司有哪些產(chǎn)品和方案？

　　今天，GaN非常有效地解決了無線和有線充電器市場需求。因?yàn)榈壊牧咸匦?，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了新一代纖薄輕巧的PC適配器。其他有前景的應(yīng)用包括可再生能源，例如，太陽能逆變器。氮化鎵的高頻開關(guān)特性還可用于設(shè)計(jì)未來電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。意法半導(dǎo)體推出了650V開關(guān)管全系產(chǎn)品，為用戶提供多個(gè)不同的封裝選擇，其中一些產(chǎn)品的內(nèi)部寄生電感非常小，可以改善高頻開關(guān)操作性能。這些優(yōu)點(diǎn)還讓設(shè)計(jì)人員選用體積重量更小的無源器件。2022年底，100V GaN晶體管將會上市，這些產(chǎn)品可用于48V輕混汽車和數(shù)據(jù)中心和電信設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

7.隨著這一輪缺芯潮的逐漸平息，我們可以看到芯片供應(yīng)鏈有諸多待改善的地方，那么第三代半導(dǎo)體在供應(yīng)鏈上會有怎樣的優(yōu)化？功率半導(dǎo)體企業(yè)如何來應(yīng)對材料供應(yīng)鏈的問題？

　　在SiC方面，意法半導(dǎo)體依靠與主要合作伙伴簽署的戰(zhàn)略供應(yīng)協(xié)議采購體晶圓，維持制造活動(dòng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，我們正在構(gòu)建一個(gè)完全垂直整合制造模式，確保我們的供應(yīng)鏈有很高的穩(wěn)健性和韌性，同時(shí)融合我們收購的公司Norstel AB（現(xiàn)已更名為ST SiC AB）的襯底設(shè)計(jì)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)。我們的既定目標(biāo)是滿足我們所有的襯底需求，到2024年，內(nèi)部采購比例達(dá)到40%。

8.您認(rèn)為隨著成本的下降，未來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(dǎo)體帶來了哪些改變？

　　未來GaN和硅將共存多年，我們將繼續(xù)改進(jìn)基于傳統(tǒng)硅材料的低壓和高壓MOSFET和IGBT產(chǎn)品。例如，對于續(xù)航里程要求不高的城市通勤電動(dòng)汽車，IGBT就足夠了，而且經(jīng)濟(jì)劃算。另一方面，800V電源總線的運(yùn)動(dòng)型汽車，因?yàn)樾阅苁亲罱K目標(biāo)，所以最好采用SiC。另一個(gè)例子是5G基站電源：意法半導(dǎo)體的超結(jié)STPOWER MOSFET系列具有良好的性價(jià)比，非常適合這類應(yīng)用。