来源：《半导体芯科技-SiSC》，编辑部

系统能效每提升1个百分点，都是对应用创新的一大挑战。在当今的低碳互联时代，英飞凌是唯一一家在电力全产业链上提供能效解决方案的半导体公司，其致力于发挥第三代半导体技术的潜力与优势，在发电、输电、储能以及用电等各个环节提升整体系统的能效。

第三代半导体已经成为我国家“十四五”计划内的重要内容之一，最近十年成为半导体行业的热门话题。追溯历史，我们在很早以前就开始受惠于第三代半导体。比如说十多年前我们采用的基站GaN射频功放，手机，2018年特斯拉在model3汽车上采用SiC逆变器器件。

7月21日，在第九届EEVIA年度中国电子ICT媒体论坛暨2021产业和技术展望研讨会上，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛发表了题为《低碳互联时代的第三代半导体技术发展演进》的演讲。

图1. 英飞凌电源与传感系统事业部市场总监程文涛先生正在发表演讲。来源：EEVIA

英飞凌在全球汽车电子和功率半导体领域的市占率遥遥领先在全球半导体行业排名第八，专注的领域有汽车电子、电源管理和传感器、工业控制、安全等。英飞凌一直发展得稳健，目前员工遍布全球，主要分布在欧洲、亚洲、美洲。英飞凌有四个事业部，其中最大的是汽车电子事业部，程文涛先生来自电源与传感系统的事业部。目前该事业部经营的产品分两大类：一是以MOS管为代表的功率半导体，另一类产品就是传感器。

能源效率、移动出行、安全、物联网和大数据五个领域是英飞凌极其专注的，其功率器件、传感器、接口等产品面向上述应用领域。在物理世界迈向数字世界的过程中，首先是通过传感器感知，将收集到的数据存储并实现MCU计算，功率半导体属于执行层面，最后通过WiFi、蓝牙或USB实现跟外界的连接。今日的话题是围绕“能效”展开的。

全球能源的消耗量导致二氧化碳的排放量与日俱增，现在全球每年消耗的能量为160,000TWH，相当于160万亿度电这样的能量。无论是化石能源、火力能源还是风力、太阳能等可再生能源，中间一个重要环节是电能转化，提高能源转化率将为碳达峰及减排做出贡献。在能源转换以及电力传输领域，英飞凌可为之提供全面解决方案，且市占率非常高。

三代半在功率方面的成就

第三代半导体在能源转换中发挥的作用越来越明显，硅基半导体有其物理极限约0.4（Ω·mm²），程表示英飞凌预计几年之后的两代产品可以接近这个物理极限。尽管如此，在未来的很长时间内，硅基半导体还是会占据大部分市场，毕竟它的性价比相对宽禁带半导体功率器件优势明显。碳化硅面向高功率、高电压应用场景，氮化镓则主攻超高频率的场景，如手机快充。因此现在GaN器件在市面上的使用规模尚小，程表示手机快充或许也是市场对于GaN材料以及硅上GaN器件的可靠性的验证；一旦验证得到通过，相信GaN器件将很快会被应用与工业领域。

相比硅半导体，基于SiC和GaN器件的导通损耗小，SiC的电压范围在650V~1.3Kv，器件拥有高热特性、硬度高、高功率及中高开关频率。然而缺点是SiC器件在制造过程中的损耗高达2/3，且机械应变导致失效，因此SiC器件的门槛相对其他两种材料最高。

图2. 基于不同材料的CCM模式的图腾柱PFC；其中蓝线代表硅，绿线代表SiC，紫色代表GaN。来源：英飞凌ppt现场照

如何提高能效？

能源效率是本次演讲的主要话题，新材料在能源转换中具有不可替代的优势，如减少设充电备的尺寸、实现快速充电等。比方说由220V交流电转48V直流电，主要考核的参数是转换效率（η）；相对碳化硅或者氮化镓器件，硅基半导体所需周边元件多，这样才能获得很高的效率如98%。在这个方面硅半导体已经接近极限，而第三代半导体因其宽禁带特性还有成长的空间（目前英飞凌SiC器件可达到96%的能效转换率）。接下来，节能减排的重担落实到CPU以及射频发射部分。

图3. 英飞凌CoolSiC™ MOSFET功率器件采用沟槽式结构，可解决大多数功率开关器件的可靠性问题。来源：英飞凌ppt现场照

相对于其他厂商的SiC功率器件，英飞凌的CoolSiC™ MOSFET功率器件采用沟槽式结构，这种结构不同于常见的平面式结构，它解决了大多数功率开关器件的可靠性问题，可以在导通损耗和长期可靠性上达到平衡；具体来说，要想效率高，沟道导通就须彻底，继而门极结构设计得非常薄，当批量应用时就容易产生可靠性问题。然而GaN功率器件的结构与之不同，其固有缺陷使得GaN器件对于门极电压极其敏感，开关产生的干扰导致器件不导通。英飞凌的结构设计就是在减小寄生参数方面做差异化研究，包括门极电压的脱敏。此外，第三代半导体的Q_oss电量远小于现有的硅基产品，在每次开关过程中Q_oss不可避免地变热并耗散；Q值越小每次开关过程损耗越少，从而达到省电的目的。

图4. CoolSiC™和CoolMOS™ CFD7的Q_oos对比。来源：英飞凌ppt现场照

SiC器件何时放量？

无论是传统发电，还是新能源发电，第三代半导体将因为电能转换而大有作为。在这个过程中，除了能效之外，可靠性是另一个重要话题。其次，第三代半导体器件的成本及价格依然是制约市场放量的主要因素，尽管未来将有望大幅下降，短期内硅基半导体仍占据成本优势。我们可以看到未来的市场潜力，除了用在汽车上，日常生活中用到的电源转换还有巨大的可替代空间。最后程先生总结说，第三代半导体相对比较新，还有很多失效模式并没有被完全理解消化。

数据中心是目前能看得见的市场，如阿里、腾讯、谷歌、Facebook等，将会率先考虑使用第三代半导体来降低用电量与运营成本。5G也是如此。

*英飞凌的两个代表性的品牌，SiC、GaN都是以Cool开头的，这是英飞凌的品牌商标。

Q&A

问：现在一些头部厂商做碳化硅的，不断在提升结温，已经做到了175度，甚至还有厂商在做200度，提高结温，对将来的应用有什么好处？挑战在哪里？是不是用起来会更难？

程文涛：这个是很专业的问题，硅基半导体很早就有人提出来提高结温，十年前那时候是用硅器件，就有人提出这种要求。原因就是除了我们要把效率做高，产品想越做越小，也就是提高功率密度，这个过程中，还有一个很重要的问题就是，它里面产生的热，在这么小的范围里面，它耗散不掉怎么办？那就自己扛，所以就要提高自己能耐受的结温。所以硅基半导体差不多十年前就已经有人从150度的标准最高结温，提升到了175度，目前175度是普遍可以做到的。

我们刚才提到的三种材料里面，最耐高温的是碳化硅，碳化硅本身制备的炉子的温度是差不多2700度，这种材料的导热性能也是三种材料里面最好的，物理特性就跟金刚石差不多，非常耐高温，又容易导热。如果利用碳化硅材料提高器件结温，对提高功率密度有很大帮助。

困难在于提高一个器件的结温，整条产业链都要配合，也就是器件最终要装到PCB上，PCB板子能不能耐高温、旁边的光耦能不能耐两百度温度，光敏器件对温度就非常敏感，这只是一个例子。提高耐受温度是趋势，有好处，但这个过程中需要全产业链的配合。

问：我今天看到有晶圆厂的朋友在，现在碳中和碳达峰的要求特别高，现在很多厂商准备在中国尝试拓展第三代半导体的代工业务，你怎么看待第三代半导体的代工，它的主要竞争门槛体现在制造工艺，您觉得在这个领域可以行得通吗？

程文涛：这也是我曾经认真探讨过的问题，我的观察是，我们刚才讲碳化硅跟氮化镓两种材料，它的产业链很不一样，就表现在您刚才提到这个问题上，就是氮化镓基本上现在是形成了代工厂跟设计公司相配合的业态。它为什么呢？是因为这个产业里面目前我们所用的氮化镓是基于硅基半导体，是在硅基衬底上往上长氮化镓的外沿，通过它的结构导电，与这种结构相关，它的入门门槛相对而言比较低，但并不代表每个人都可以做，你很容易做出来，但要做得可靠，把良率提上去，是需要有规模效应的，这就催生了以台积电这种公司为代表的foundry替大家去做芯片，因为它的规模导致它可以在整个制造工艺上，它的成熟能够节省掉你很多的时间。你所关注的东西就是你做出那些，像我们刚才所强调的那个结构，通过你的聪明才智做出创新结构出来，发挥氮化镓的特点，而交给代工厂把它批量做出来，这是硅基氮化镓的方式。

碳化硅不同，因为它的入门门槛非常高，就简单的来讲，它是碳化硅上长碳化硅，不是说建立在硅基上的碳化硅。碳化硅这种材料，不只是热特性，硬度也和金刚石接近。首先把它做出来的时候，不像我们的硅器件，拉两米长的晶棒，这种生产效率很高。碳化硅到目前为止做出来是一坨，而且要切开，是它自己切自己，因为没有人比它更硬，所以这里面损耗非常高。这样一坨碳化硅切出来，最后抛光，变成晶圆，只剩下不到原来的三分之一，加工门槛非常高。因此目前这个行业主要的碳化硅厂商，都是一些IDM，就是整个垂直整合的厂商，原因就是因为入门门槛太高了。目前像SiC晶圆的工艺这一块，Cree差不多占了60%，这个足够说明问题。我们国内也有厂商在做晶圆部分，这是国内的半导体很重要的一步。但是我相信，在未来一段时间之内，碳化硅依然是以这种方式存在的。

问：数据中心、云服务公司对氮化镓器件有迫切需求，像服务器电源的需求吗？目前国内或者全球氮化镓这种材料的器件应用情况怎么样，就是从设计上有什么挑战、难题？

程文涛：氮化镓我刚才讲到，以我们自己制造的经验，这个东西好做，但不好做得一致、不好做得可靠，它的难点在什么地方？回到刚才的页面上（P17），它是长成这个样子，它底下做的是硅，这里只有五个微米，是外沿长出来的结构。这里要克服一个问题，就是硅是各向同性的材料，硅的失效就是电失效、热失效，但第三代半导体，包括氮化镓、碳化硅，它的失效模式跟硅完全不一样。因为它是一个各向异性的材料，两种元素化合的。它在开关的过程中会产生所谓的介电效应，因为介电效应会产生机械形变，积累到一定程度就坏了。这是第三代半导体普遍的失效模式。要长这个外延的目的就是从硅上面慢慢过渡到氮化镓，所以底下这些是被拿来牺牲的，底下这块注定时间久了以后，里面的一些结构，一些晶体结构是注定要坏的，反正它不承担导电的任务，但是承担导电任务部分，必须要被缓慢的过渡到不被介电效应所影响。这个工艺说起来简单，但是掌握起来非常困难。所以目前为止在这个行业里面，尤其是在对可靠性要求非常高的领域，氮化镓使用规模还是相对比较小，也就是因为大家还是持谨慎的态度，让手机快充先用、不怕坏。过几年验证完了，知道这个东西怎么坏了，都掌握了，再大规模的应用，这是我看到的趋势。

问：氮化镓器件的使用年限是多少？

程文涛：氮化镓这个材料本身没问题，就看你把它做出来，能做多好。我们自己研制的第一代产品，是用非常保守的态度去做的，就是你不太了解它，你就过度设计的方式，在现有的材料，我们评估下来，我们做的器件在我们经常使用的范围里面，它的寿命是50年，就是远远大于硅，但是其实不用那么长时间。问题就是我要知道它的瓶颈在什么地方，我不能往下降，降到最后它坏了，不知道怎么坏的。所以氮化镓跟碳化硅这种材料的可靠性，其实这种材料本身是可以允许很长的寿命的，只是说设计跟制造的时候，要通过这些工艺来保障它。

问：我们看到英飞凌在前段时间推出了一个CoolGaN^TM IPS的系列，面向的就是消费市场的适配器、充电器。因为我们知道，已经有很多厂商在做这一块的GaN器件，英飞凌的IPS系列，现在它的优势有那些？市面上GaN器件的价格已经相对来说逐渐往下降了，英飞凌的IPS有哪些优势来抢占市场？

程文涛：我们刚才讲了氮化镓这种材料对电压非常敏感，稍不小心就会误导通，尤其本身这个材料就非常快，开关它的时候就必然会产生一些干扰，这些干扰本身会反过来让它自己误导通，这是用氮化镓很头疼的地方。它是非常好的东西，但用的时候不容易用，像IPS这种产品，想帮助客户的就是省掉驱动它所费的脑筋，就是把驱动器跟两个管子或者一个管子集中在一起。在用它的时候，就可以把它当成一个以前熟知的MOS管来用，因为驱动已经在里面解决掉了，这就是我们做IPS的初衷。

    它解决的问题主要是在消费类的产品里面，因为消费类产品里面用户非常广泛，你要怎么样让更多的工程师都能够轻松地用到氮化镓呢？这就是IPS所起的作用。

关于讲师

    程文涛先生，英飞凌电源与传感系统事业部市场总监；在1999至2004年间从事开关电源设计工作，2004年进入半导体行业，此后一直在电源管理及相关领域从事AE以及市场工作，有着二十多年的功率半导体应用和市场的丰富经验。