理想照進現實，擁抱第三代半導體新紀元
在2020年ASPENCORE舉辦的全球CEO峯會上，瑞能半導體(WeEn)公司首席戰略&業務運營官沈鑫發表了題爲“理想照進現實，擁抱第三代半導體新紀元”的主題演講。這裏所指的第三代半導體，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體公司所主導，市場規模相對來說不大，但增長速度極快。瑞能從2012年開始開展碳化硅材料領域的器件研究，目前，碳化硅肖特基二極管已經大規模量產，並被電源客戶廣泛採用，碳化硅MOSFET產品也陸續推出市場。
第三代半導體爲什麼發展的這麼快？
從大環境來看，過去的40年裏，世界人口總數從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特瓦時增加到現在的24000特瓦時，這意味着每人所消耗的電量在過去40年中平均增加了兩倍，遠遠高於人口增長速度。毫無疑問，這一趨勢跟我們40年內消費習慣、生活習慣的改變有着密不可分的關係，最具代表性的應用新能源汽車的大量湧現，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生了重要的影響。貝爾先生髮明電話的時候，使用很少的電量就可以維持長距離通信，但對比之下，現在的移動電話完成同樣距離通信所消耗的單位能量發生了顯著提升。如果再考慮AI、機器學習、大數據處理這些新興技術對電量的苛求，電氣化發展的速度實在是令人感到驚歎。
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手機和去年發佈的iPhone 11的電池密度。可以看出，第一代蘋果手機的電池容量是1400毫安時，而iPhone 11的電池容量已經超過了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用案例。得益於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可以超過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關頻率、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爲代表的第三代半導體器件的優勢所在。例如高熱導率可以降低對散熱系統的要求；強耐壓能力使得開關損耗得以降低，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，第三代半導體市場規模預計將從2020年的10億美元增長至2025年的35億美元，年複合增長率超過20%。而這一系列數字的背後，是行業需求、供應鏈提升和改進、以及相關技術的巨大進步。
例如碳化硅、氮化鎵晶圓製造缺陷密度的降低和良率的增加，穩定了供應，不至於因爲良率的波動出現供貨短缺的情況。另一方面，晶圓面積也從過去的2英寸逐步增加到現在主流的6英寸，一些國際領先廠商甚至已經開始規劃8英寸碳化硅的產能，從而保證了供應鏈的穩定。從設計角度來看，碳化硅二極管目前具備的GBS、NBS技術，大幅提升芯片本身抗電流能力的同時，還優化了設計，降低了成本。
關鍵應用助推SiC市場起飛
目前來看，真正起到風向標引領示範作用的，是SiC MOSFET器件在特斯拉Model 3上的大規模量產使用。雖然目前Model 3只在主驅動逆變器上應用了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(OBC)、DC-DC等都會成爲SiC MOSFET器件的理想使用場景，隨着電動汽車市場規模的快速增長，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展也不容小覷。30/40/100千瓦充電站的大量佈局，意味着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電行業，得益於低開關損耗、高頻率、高熱導率、高可靠性等優點，，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，或是降低離岸風電的維修養護成本
最後一個值得關注的領域，是和我們生活息息相關手機快充。目前，手機充電器已經從過去的幾瓦，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，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。在數據中心裏也會遇到同樣的情況，作爲用電大戶，哪怕只有0.1%-0.2%的效率提升，對全球能量消耗都會產生極大的節約。
挑戰與機遇並存
但SiC是一種讓人又愛又恨的新材料。目前來看，SiC MOSFET的發展主要受制於兩個方面：碳化硅晶圓材料的品質和產品價格。由於MOSFET對碳化硅晶圓材料的品質要求遠遠高於肖特基二極管產品，SiC MOSFET單顆芯片的尺寸也要大於碳化硅二極管產品，所以對碳化硅晶圓材料的缺陷密度有着更高的要求，更高品質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、風電、數據中心等行業對產品質量要求極高，未來，對碳化硅材料、器件質量的高要求會成爲整個行業向前發展所必須具備的重要因素。
另一方面，碳化硅晶圓材料，特別是高品質晶圓較高的價格也導致SiC MOSFET成本增加，成爲制約SiC MOSFET更大規模普及和發展的要素之一。但沈鑫認爲，在可預見的未來，隨着供應鏈的發展，其整體系統成本與硅基產品會越來越接近。
“其實，即便單個碳化硅器件價格高於傳統硅器件，但我們更看重它在降低系統成本方面所起到的關鍵作用，尤其是業界一直以來在封裝、應用、結構改進、與硅器件相融合等方面進行系統級優化，我相信整個行業會越做越好。”他說。
在沈鑫看來，無論是在中國、歐洲還是美國，行業協會在促進同行業中不同公司間的協作，尤其是上下游之間的協作方面，起着不可替代的作用，這對瑞能這樣的IDM公司來說更是如此，雙方合作意義巨大。
