理想照進(jìn)現實(shí)，擁抱第三代半導體新紀元

第三代半導體為什么發(fā)展的這么快？

從大環(huán)境來(lái)看，過(guò)去的40年里，世界人口總數從40億增長(cháng)至75億。但與此同時(shí)，全球用電量的速度卻從40年前的6000特瓦時(shí)增加到現在的24000特瓦時(shí)，這意味著(zhù)每人所消耗的電量在過(guò)去40年中平均增加了兩倍，遠遠高于人口增長(cháng)速度。毫無(wú)疑問(wèn)，這一趨勢跟我們40年內消費習慣、生活習慣的改變有著(zhù)密不可分的關(guān)系，最具代表性的應用新能源汽車(chē)的大量涌現，極大帶動(dòng)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(huà)的時(shí)候，使用很少的電量就可以維持長(cháng)距離通信，但對比之下，現在的移動(dòng)電話(huà)完成同樣距離通信所消耗的單位能量發(fā)生了顯著(zhù)提升。如果再考慮AI、機器學(xué)習、大數據處理這些新興技術(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。

當然，除了設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手機和去年發(fā)布的iPhone 11的電池密度?？梢钥闯?，第一代蘋(píng)果手機的電池容量是1400毫安時(shí)，而iPhone 11的電池容量已經(jīng)超過(guò)了3000毫安時(shí)，換句話(huà)說(shuō)，單位體積/單位重量所具備的電能量提升了1.5倍。

純電動(dòng)汽車(chē)是另一個(gè)代表性的應用案例。得益于電池容量和能量密度的迅猛提升，特斯拉的續航歷程目前已經(jīng)可以超過(guò)400公里，而且這一數字還在持續增加中。這就對傳統硅基半導體器件在開(kāi)關(guān)頻率、散熱、耐壓等方面提出了新的挑戰和要求，但這些恰恰就是以SiC MOSFET為代表的第三代半導體器件的優(yōu)勢所在。例如高熱導率可以降低對散熱系統的要求；強耐壓能力使得開(kāi)關(guān)損耗得以降低，從而大幅提升系統效率，降低系統成本

沈鑫援引HIS Markit的數據稱(chēng)，第三代半導體市場(chǎng)規模預計將從2020年的10億美元增長(cháng)至2025年的35億美元，年復合增長(cháng)率超過(guò)20%。而這一系列數字的背后，是行業(yè)需求、供應鏈提升和改進(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，穩定了供應，不至于因為良率的波動(dòng)出現供貨短缺的情況。另一方面，晶圓面積也從過(guò)去的2英寸逐步增加到現在主流的6英寸，一些國際領(lǐng)先廠(chǎng)商甚至已經(jīng)開(kāi)始規劃8英寸碳化硅的產(chǎn)能，從而保證了供應鏈的穩定。從設計角度來(lái)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(shí)，還優(yōu)化了設計，降低了成本。

關(guān)鍵應用助推SiC市場(chǎng)起飛

目前來(lái)看，真正起到風(fēng)向標引領(lǐng)示范作用的，是SiC MOSFET器件在特斯拉Model 3上的大規模量產(chǎn)使用。雖然目前Model 3只在主驅動(dòng)逆變器上應用了SiC MOSFET，但即便這樣，一輛車(chē)中也需要24顆SiC MOSFET器件。未來(lái)，車(chē)載充電機(OBC)、DC-DC等都會(huì )成為SiC MOSFET器件的理想使用場(chǎng)景，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)規模的快速增長(cháng)，SiC MOSFET出貨量的顯著(zhù)上升將不會(huì )令人感到意外。

新能源汽車(chē)充電樁市場(chǎng)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(zhù)充電能量的提升和充電時(shí)間的縮短，碳化硅器件對降低充電樁整體系統成本，提升系統能量密度，改善散熱系統性能等，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(kāi)關(guān)損耗、高頻率、高熱導率、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(lái)2倍以上的功率，或是降低離岸風(fēng)電的維修養護成本

最后一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域，是和我們生活息息相關(guān)手機快充。目前，手機充電器已經(jīng)從過(guò)去的幾瓦，提升到當前的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(lèi)似，氮化鎵同樣可以降低系統散熱要求，提升整體系統效率，這樣一來(lái)，同樣體積、重量的充電器就能夠輸出更大電流，以滿(mǎn)足快充市場(chǎng)的要求。在數據中心里也會(huì )遇到同樣的情況，作為用電大戶(hù)，哪怕只有0.1%-0.2%的效率提升，對全球能量消耗都會(huì )產(chǎn)生極大的節約。

挑戰與機遇并存

但SiC是一種讓人又愛(ài)又恨的新材料。目前來(lái)看，SiC MOSFET的發(fā)展主要受制于兩個(gè)方面：碳化硅晶圓材料的品質(zhì)和產(chǎn)品價(jià)格。由于MOSFET對碳化硅晶圓材料的品質(zhì)要求遠遠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(zhù)更高的要求，更高品質(zhì)的碳化硅晶圓可以顯著(zhù)提高目前SiC MOSFET芯片的良率。同時(shí)，考慮到汽車(chē)、光伏、風(fēng)電、數據中心等行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求極高，未來(lái)，對碳化硅材料、器件質(zhì)量的高要求會(huì )成為整個(gè)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(jià)格也導致SiC MOSFET成本增加，成為制約SiC MOSFET更大規模普及和發(fā)展的要素之一。但沈鑫認為，在可預見(jiàn)的未來(lái)，隨著(zhù)供應鏈的發(fā)展，其整體系統成本與硅基產(chǎn)品會(huì )越來(lái)越接近。

“其實(shí)，即便單個(gè)碳化硅器件價(jià)格高于傳統硅器件，但我們更看重它在降低系統成本方面所起到的關(guān)鍵作用，尤其是業(yè)界一直以來(lái)在封裝、應用、結構改進(jìn)、與硅器件相融合等方面進(jìn)行系統級優(yōu)化，我相信整個(gè)行業(yè)會(huì )越做越好。”他說(shuō)。

在沈鑫看來(lái)，無(wú)論是在中國、歐洲還是美國，行業(yè)協(xié)會(huì )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(zhù)不可替代的作用，這對瑞能這樣的IDM公司來(lái)說(shuō)更是如此，雙方合作意義巨大。