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瑞能半导体关于第三代半导体的发展思量

时间: 2024-03-08 08:21:31 |   作者: 产品/永乐国际注册地址

市场的快速的提升,第三代半导体材料也成为人类关注的重点。第三代半导体材料指的是碳化硅(SiC)、

产品特性

  市场的快速的提升,第三代半导体材料也成为人类关注的重点。第三代半导体材料指的是碳化硅(SiC)、(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)、氮化铝(AlN)等新兴材料。而这些新兴材料中,碳化硅、氮化镓技术目前来看相对较为成熟,,因此这两种材料也成为近年来市场布局的重点。下面小编带大家一起看一看瑞能半导体沈鑫在全球CEO峰会发表的关于第三代半导体的主题演讲。

  在2020年ASPENCORE举办的全球CEO峰会上,瑞能半导体(WeEn)公司首席战略&业务运营官沈鑫发表了题为“理想照进现实,拥抱第三代半导体新纪元”的主题演讲。这里所指的第三代半导体,对瑞能而言主要指SiCMOSFET器件。该市场目前主要由国际上几家大的功率半导体公司所主导,市场规模相对来说不大,但上涨的速度极快。瑞能从2012年开始开展碳化硅材料领域的器件研究,目前,碳化硅已经大规模量产,并被电源客户广泛采用,碳化硅MOSFET产品也陆续推出市场。

  从大环境来看,过去的40年里,世界人口总数从40亿增长至75亿。但与此同时,全球用电量的速度却从40年前的6000特瓦时增加到现在的24000特瓦时,这在某种程度上预示着每人所消耗的电量在过去40年中平均增加了两倍,远高于人口上涨的速度。毫无疑问,这一趋势跟我们40年内消费习惯、生活小习惯的改变有着密不可分的关系,最具代表性的应用新能源汽车的大量涌现,极大带动了二次能源的使用量。

  人与人之间交流方式的改变也对此产生了重要的影响。贝尔先生发明电话的时候,使用很少的电量就可以维持长距离通信,但对比之下,现在的移动电话完成同样距离通信所消耗的单位能量发生了显著提升。如果再考虑AI机器学习、大数据处理这些新兴技术对电量的苛求,电气化发展的速度实在是令人感到惊叹。

  当然,除了设备本身耗电量的增加,单位体积内的包含的能量也在不断地提升中。下图中,沈鑫对比了第一代和去年发布的iPhone 11的电池密度。能够准确的看出,第一代苹果手机的电池容量是1400毫安时,而iPhone 11的电池容量已超越了3000毫安时,换句话说,单位体积/单位重量所具备的电能量提升了1.5倍。

  纯电动汽车是另一个代表性的应用案例。得益于电池容量和单位体积内的包含的能量的迅猛提升,特斯拉的续航历程目前已能超过400公里,而且这一数字还在持续增加中。这就对传统硅基半导体器件在开关频率、散热、耐压等方面提出了新的挑战和要求,但这些恰恰就是以SiC MOSFET为代表的第三代半导体器件的优势所在。例如高热导率能够更好的降低对散热系统的要求;强耐压能力使得开关损耗得以降低,从而大幅度的提高系统效率,降低系统成本。

  沈鑫援引HIS Markit的数据称,第三代半导体市场规模预计将从2020年的10亿美元增长至2025年的35亿美元,年复合增长率超过20%。而这一系列数字的背后,是行业需求、供应链提升和改进、以及有关技术的巨大进步。

  例如碳化硅、氮化镓晶圆制造缺陷密度的降低和良率的增加,稳定了供应,不至于因为良率的波动出现供货短缺的情况。另一方面,晶圆面积也从过去的2英寸逐步增加到现在主流的6英寸,一些国际领先厂商甚至慢慢的开始规划8英寸碳化硅的产能,来保证了供应链的稳定。从设计角度来看,碳化硅二极管目前具备的GBS、NBS技术,大幅度的提高芯片本身抗电流能力的同时,还优化了设计,降低了成本。

  目前来看,真正起到风向标引领示范作用的,是SiC MOSFET器件在特斯拉Model 3上的大规模量产使用。虽然目前Model 3只在主驱动逆变器上应用了SiC MOSFET,但即便这样,一辆车中也需要24颗SiC MOSFET器件。未来,车载充电机(OBC)、DC-DC等都会成为SiC MOSFET器件的理想使用场景,随着电动汽车市场规模的迅速增加,SiC MOSFET出货量的显著上升将不会令人感到意外。

  新能源汽车充电桩市场的加快速度进行发展也不可以小看。30/40/100千瓦充电站的大量布局,意味着充电能量的提升和充电时间的缩短,碳化硅器件对降低充电桩整体系统成本,提升系统单位体积内的包含的能量,改善散热系统性能等,起到了积极正面的帮助。

  而在光伏逆变器和风电行业,得益于低开关损耗、高频率、高热导率、高可靠性等优点,,碳化硅器件能够在同样体积的逆变器中输出原来2倍以上的功率,或是降低离岸风电的维修养护成本

  最后一个需要我们来关注的领域,是和我们生活息息相关手机快充。目前,手机充电器已经从过去的几瓦,提升到当前的65瓦,甚至100瓦以上,这其中就使用了大量的氮化镓器件。与碳化硅特性类似,氮化镓一样能降低系统散热要求,提升整体系统效率,这样一来,同样体积、重量的充电器就能够输出更大电流,以满足快充市场的要求。在数据中心里也会遇到同样的情况,作为用电大户,哪怕只有0.1%-0.2%的效率提升,对全球能量消耗都会产生极大的节约。

  但SiC是一种让人又爱又恨的新材料。目前来看,SiC MOSFET的发展主要受制于两个方面:碳化硅晶圆材料的品质和产品价格。由于MOSFET对碳化硅晶圆材料的品质要求远高于肖特基二极管产品,SiC MOSFET单颗芯片的尺寸也要大于碳化硅二极管产品,所以对碳化硅晶圆材料的缺陷密度有着更高的要求,更高品质的碳化硅晶圆可以明显提高目前SiC MOSFET芯片的良率。同时,考虑到汽车、光伏、风电、数据中心等行业对产品质量发展要求极高,未来,对碳化硅材料、器件质量的高要求会成为整个行业向前发展所一定要具有的重要因素。

  另一方面,碳化硅晶圆材料,特别是高品质晶圆较高的价格也导致SiC MOSFET成本增加,成为制约SiC MOSFET更大规模普及和发展的要素之一。但沈鑫认为,在可预见的未来,随着供应链的发展,其整体系统成本与硅基产品会慢慢的接近。

  “其实,即便单个碳化硅器件价格高于传统硅器件,但我们更看重它在降低系统成本方面所起到的关键作用,尤其是业界一直以来在封装、应用、结构改进、与硅器件相融合等方面做系统级优化,我相信整个行业会越做越好。”他说。

  在沈鑫看来,无论是在中国、欧洲还是美国,行业协会在促进同行业中不同公司间的协作,尤其是上下游之间的协作方面,起着无法替代的作用,这对瑞能这样的IDM公司来说更是如此,双方合作意义巨大。

  电子发烧友网报道(文/刘静)在新能源汽车、光伏、储能等新兴领域的需求带动下,

  融资超62起,碳化硅器件及材料成投资焦点 /

  照明、新能源汽车、新一代移动通信、新能源并网、高速轨道交通等领域具有广阔的应用前景。2020年9月,

  及相关领域的知名专家学者、企业领导、投资机构代表参与大会。中科院、北京大学、香港科技大学、英诺赛科、三安光电等科研院所、企业代表围绕

  动静态测试方案亮相IFWS /

  领域,开启电子技术的新纪元 /

  目标?...... 前言: 凭借功率密度高、开关速度快、抗辐照性强等优点,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的

  材料被大范围的应用于电力电子、光电子学和无线通信等领域,以提高设备性能和效率,并

  知识科普 /

  的四大分类与应用探索 /

  :在智能电网领域的应用前景展望 /

  材料通常具备更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率,电子饱和速率和抗辐射能力也更胜一筹,在高

  以及芯片的核心材料 /

  最新进展到哪了? /

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