寬帶隙 (WBG) 半導體：切實可靠的節(jié)能降耗解決方案

受訪人：Filippo Di Giovanni（意法半導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，分別適用在哪些應用領域？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？

　　意法半導體的第三代碳化硅是我們的STPOWER SiC MOSFET技術改良研發(fā)活動取得的新進展，是為了更好地滿足電動汽車廠商在用碳化硅設計的動力電機逆變器、車載充電機和DC-DC轉換器時的嚴格要求。在高端工業(yè)領域，我們的第三代碳化硅技術還能破解所有應用限制難題，例如充電樁等產(chǎn)品。

　　氮化鎵GaN是另一個重要的寬帶隙半導體材料，在技術成熟度方面稍微落后于碳化硅SiC。盡管如此，設備制造商還是繼續(xù)采用氮化鎵設計產(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用前景廣闊，可用于開發(fā)下一代車載充電機和DC-DC轉換器。換言之，意法半導體第三代SiC領先于市面上現(xiàn)有的GaN技術。這兩種材料可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，碳化硅適合高壓和高功率應用領域，而氮化鎵更適合高開關頻率的中低功率轉換器。

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

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

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

　　減少能源轉換損耗和提高能效是人們的不懈追求，新的寬帶隙(WBG)半導體是一個切實可靠的節(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，可以讓設計人員開發(fā)續(xù)航里程更長的電動汽車動力總成系統(tǒng)。更高的能效可以大幅簡化冷卻系統(tǒng)設計，更小更輕的電子設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。

4.新能源汽車和充電樁，也是第三代半導體的主要應用領域之一，您認為在這兩個方面，第三代半導體主要的技術應用優(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用的可能？

　　目前在全球有90多個不同的項目在用第三代平面STPOWER SiC MOSFET。選擇它們是因為這項技術極大地提高了能效。從意法半導體設計角度來看，我們現(xiàn)在專注于下一次迭代，第四代碳化硅技術將在減少總損耗方面又向前邁進一步，有助于進一步提高能效。

5.數(shù)據(jù)中心是節(jié)能降耗的一個重要應用領域，您認為第三代半導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)中心設備，可顯著提高能效。在數(shù)據(jù)中心應用領域，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.隨著第三代半導體材料的推廣應用，氮化鎵除了在快充領域迅速占領市場以外，未來還將可能在哪些領域嶄露頭角？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。因為氮化鎵材料特性，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了新一代纖薄輕巧的PC適配器。其他有前景的應用包括可再生能源，例如，太陽能逆變器。氮化鎵的高頻開關特性還可用于設計未來電動汽車的車載充電機和DC-DC轉換器。意法半導體推出了650V開關管全系產(chǎn)品，為用戶提供多個不同的封裝選擇，其中一些產(chǎn)品的內(nèi)部寄生電感非常小，可以改善高頻開關操作性能。這些優(yōu)點還讓設計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)中心和電信設備的DC-DC轉換器。

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

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

8.您認為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領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了哪些改變？

　　未來GaN和硅將共存多年，我們將繼續(xù)改進基于傳統(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汽車，IGBT就足夠了，而且經(jīng)濟劃算。另一方面，800V電源總線的運動型汽車，因為性能是最終目標，所以最好采用SiC。另一個例子是5G基站電源：意法半導體的超結STPOWER MOSFET系列具有良好的性價比，非常適合這類應用。