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专访UnitedSiC CEO:看见碳化硅的未来10年

时间:2019-12-09 15:13:54 作者:刘于苇 阅读:
半导体材料目前经历了三个发展阶段,第一代的硅(Si)、锗(Ge);第二代开始由2种以上元素组成化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟 (InP);以及第三代的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带材料。由于宽禁带半导体材料可实现更优的导热性、更高的开关速率、更低导通电阻以及更小的器件物理尺寸,传统巨头近年纷纷加码该领域,而有的公司却在20年前就开始布局……
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随着全球能源消耗量的不断提升,电子产业对电源产品效率和功率密度要求不断提高,宽禁带(WBG,wide bandgap)半导体材料不断被运用到新型功率器件和新一代电源中。这里所谓材料的禁带,是将电子从其价带释放到导带所需的能量。

半导体材料目前经历了三个发展阶段,第一代的硅(Si)、锗(Ge);第二代开始由2种以上元素组成化合物半导体,如砷化镓(GaAs)、磷化铟 (InP);以及第三代的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带材料。硅具有1.12电子伏特(eV)的禁带,GaAs是1.4eV,而SiC和GaN分别具有3.26和3.41eV的相对较宽的禁带。较高的电子迁移率使得它们能够实现更快的切换,因为接合处累积的电荷通常可以更快地释放。

因此,与传统硅工艺相比,SiC和GaN等宽禁带半导体材料可实现更优的导热性、更高的开关速率、更低导通电阻(RDS(ON))以及更小的器件物理尺寸。宽禁带材料从2000年开始用于半导体器件,最初是在PFC应用中采用了SiC JBS二极管,随后光伏行业也开始使用SiC二极管和FET,直到最近电动汽车车载充电器和DC-DC转换器的相关应用激增,推动了SiC爆发式增长,也让这一类新材料开始在大众中科普。

传统半导体巨头将其视作未来功率器件新战场,近年来纷纷加码这一领域,而有一家公司却在20年前就开始了布局。

美商联合碳化硅股份有限公司(UnitedSiC)成立于1999年,主要为高效功率转换应用部署SiC晶体管和二极管解决方案,公司现任总裁兼首席执行官 Chris Dries和董事会于2009年收购了这家公司。按照Chris Dries的话来说,“目前公司已开发了一系列SiC功率器件解决方案,最新的SiC FET更是业界首家、提供了所有竞争对手都做不到的性能和高效率。”

Chris Dries于1994年从杜克大学(Duke University)以优异成绩毕业,并于1999年在普林斯顿大学(Princeton University)获得了电气工程博士学位。他的职业生涯始于光电子行业,曾在Sensors Unlimited、Finisar和Goodrich Corporation等公司研发用于光通信系统的高速检测器和激光器。在行业之外,他一直是美国杜克大学访客工程委员会、普林斯顿大学研究生院Leadership Council的成员,目前也在普林斯顿大学电气工程顾问委员会任职,并且是普林斯顿日校的理事会成员。

日前,《电子工程专辑》(EETimes China)小编有机会与造访深圳的Dries博士深聊了一次。

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EETimes China: 我留意到您的职业生涯开始于光电子行业,是什么样的机缘让您开始进入到宽禁带半导体产业?

Chris Dries: 我想可以追溯到我的大学时代1994年,那时因特网刚开始繁荣。很明显,因特网所产生的所有流量都将通过光纤传输。在那个年代的早期,我就想参与到这场通信革命中。

因此,我当时找到了一位精通光通信系统器件的教授,这也让我去到了普林斯顿大学,为我的论文导师工作。很幸运,我完成学业的时机刚刚好,有幸参与到了2000年代初光通信元件的繁荣时期。也正是这种将技术研究转化为真正商业化事业的理念,带我进入了宽禁带半导体领域。

EETimes China: 后来您为何会收购 UnitedSiC?

Chris Dries: 从1994到2009年这15年间,我一直在从事光通信工作。根据我的经验,从新材料被发现到真正商用,一般需要20年的时间,比如磷化铟和砷化镓。

2009年时,碳化硅作为二极管材料已经在市场上销售了5到10年。这对我们来说是一个机会,我们可以把在光器件中的商业模式,运用到功率器件上。非常重要的是,III-V族化合物半导体所采用的制造工艺,也同样适用于碳化硅。因此,除了我们在2009年收购的拥有碳化硅专业知识的团队之外,我们招募的磷化铟器件制造团队也一起帮助制造碳化硅器件。我们看到了碳化硅在未来十年内发展的机会,加上我们的技术背景,促使我们收购了UnitedSiC。

EETimes China: SiC材料近些年被更广泛地用在了功率电子元器件中,有的传统硅半导体巨头选择与UnitedSiC这样的公司合作开发,比如ADI就在与你们合作。UnitedSiC目前与业内公司的合作情况如何?

Chris Dries: 是的,与ADI的合作对我们来说非常重要。在过去三年中,我们一直在与他们合作,最初是与凌力尔特(Linear)的团队合作。他们为UnitedSiC带来的优势是,能让我们做一些作为独立公司无法做的事情,例如,他们利用我们的碳化硅FET的优势制造栅极驱动器和更复杂的集成电路。与作为独立的分立器件公司相比,这帮助我们获得了更大的市场,我们能够藉由他们的渠道和网络,获得更大的发展。

但我们也与其他许多公司合作,不仅仅是ADI。这次我来深圳,就是与一家来自中国的大型智能手机公司碰面,这家公司会将我们的器件整合到手机充电器适配器中。

EETimes China: 这真是个令人兴奋的消息,是否方便透露公司名?

Chris Dries: 是的,很令人兴奋。但是不好意思,暂不能透露公司名,我预计明年内,市场上应该能买到基于UnitedSiC碳化硅的手机充电适配器。

EETimes China: 一些提前布局的传统半导体厂商,已经推出自己的SiC产品有些时日。面对传统巨头的竞争,UnitedSiC最大的优势是什么?

Chris Dries: 最大优势是我们的器件易于使用,这一点不同于所有的竞争对手——我们通常在所有器件中将碳化硅JFET与硅MOSFET结合在一起。因此,客户可以兼得这两种材料系统的优势:从碳化硅JFET获得快速开关、高阻断能力和低RDS(ON);从硅MOSFET获得易用性和卓越的体二极管性能。

所以,尽管我们从事的是碳化硅业务,但我们每售出一个晶体管,里面都配有一个硅MOSFET。我也这样和客户讲,我们充分利用每种材料系统的优势,并将这些优势提供给客户。易用性是第一位的,这让使用现有IGBT解决方案或硅MOSFET解决方案的客户可以轻松地将这些器件取出,放入我们的器件取而代之,从而获得更高的效率。

如果他们愿意重新设计器件,则可以通过增加开关频率以获得更高的功率密度。但是,很多客户几乎不必这样做,就能从我们的器件中获益。

EETimes China: 说到重新设计,你们会在未来销售你们的IP吗?

Chris Dries: 不会,我们会保留我们所有知识产权,并在全球申请专利:欧洲、中国大陆和台湾,以及美国。保护知识产权对我们来说非常重要。

EETimes China: 当前对功率器件最大的挑战很多来自于低功耗设计,比如更低的RDS(ON)等,但是却需要更高的栅极-源极电压(V(GS))用于关断。UnitedSiC在这一块有没有新的突破?

Chris Dries: 您可能已经了解,我们即将在今年12月9日发布具有全球最低RDS(ON)的器件,采用TO247封装。由于我们器件的独特设计,这些器件可以从0V切换至10V或从0V切换至12V进行栅极驱动,非常容易驱动。这有助于我们客户实现传导损耗全球最低的设计。这对电动汽车的牵引逆变器特别重要。您可能了解,特斯拉Model 3采用了ST的碳化硅。我的预计是到2020年下半年,将有一批装有UnitedSiC的 9 mΩ、1200V FET的先导车在北京行驶。

(新产品详细介绍请点击新闻稿查看)

EETimes China: 第一批车在北京行驶,那么是否意味着UnitedSiC在选择合作的车厂时,会倾向于某个国家地区的厂商?会优先考虑快速成长中的中国厂商吗?

Chris Dries: 我们都会合作:欧洲、中国和美国的厂商。事实上结束这次中国的行程后,我们会去拜访美国最大的一级(Tier 1)汽车厂商之一,由于我们器件所具有的性能优势,该公司希望我们按照其规格要求设计定制器件。

最近,我们从欧洲最大的一级汽车厂商之一获得了JFET和共源共栅(cascode)的订单。全球汽车行业最大的厂商已经认可了我们将于今年12月公开发布的这些具有非常低RDS(ON) 的新器件优势。我们已经向一些非常重要的主要客户提供了样品。

不过您说的很对,中国在采用新技术方面的速度确实比世界其他地区快得多。正因为如此,我们在中国有这样重要的业务布局,也是为什么我每年至少来三次中国,与我们中国的合作伙伴一起工作。

EETimes China: 您刚才提到的新产品所采用的技术,目前在全球独一无二的,其他企业都还不能做到吗?UnitedSiC又是如何做到的?

Chris Dries: 是的,他们还做不到,这得益于我们的die尺寸优势。由于我们开发的先进技术,针对1200V应用,我们的die尺寸大约是竞争对手的一半;而针对650V应用,我们的die尺寸几乎比竞争对手小四倍。与所有竞争对手相比,我们能以任何给定封装提供具有最低RDS(ON)的器件。

EETimes China: 在这些新的器件中有采用新的工艺技术吗?

Chris Dries: 这些新器件是我们现有器件的扩展。因此,从工艺成熟度的角度来看,它非常成熟。我们先推出了具有较高RDS(ON)的器件,然后从战略上为汽车领域构建这些器件。但是,正如我刚才提到的那样,以任何封装形式提供具有最低RDS(ON)器件的能力,不仅为汽车电源,还为服务器电源带来了变革。我们可以在非常小的表面贴装DFN 8x8 mm封装中装进一个30 mΩ碳化硅FET,使服务器电源客户无需使用散热器,只需使用空气冷却,易于组装,并且传导损耗最低,实现3 KW设计。事实上,这与650V GaN相比,具有极强的竞争优势。

EETimes China: 我们的碳化硅FET还能用在无散热器服务器电源上?

Chris Dries:是的,因为我们可以将具有最低RDS(ON) 的器件封装在给定的尺寸中,在设计中大大降低损耗。

EETimes China: 我听说在一些类似的应用案例中,他们用GaN。SiC常被拿来和其他宽禁带半导体技术作对比,比如与GaN,如今GaN和SiC在5G应用上出现了一些融合的机会,比如碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)外延片,UnitedSiC会考虑进入GaN或其他宽禁带半导体领域吗?

Chris Dries: 我们暂时不考虑那个领域。虽然是SiC衬底上的GaN,但那是半绝缘衬底。我们100%专注于功率器件,并且100%专注于SiC。正如我们公司名UnitedSiC,在可预见的未来,我们将继续专注在SiC功率器件。这是我们器件和设计专长所在。

话又说回来,我们也得益于5G的增长,因为它推动了SiC衬底功能的增强,从而降低了SiC的成本,这意味着我们可以加大力度攻现有的硅市场,尤其是650V应用。

EETimes China: 有人说,宽禁带材料无法完全取代硅基功率器件,只能用于特定领域。比如高电压领域,但SiC将主导未来电动汽车技术的走向,完全取代IGBT,您怎么看?

Chris Dries: 这或许可以从我们设计器件的方式来看。每一种材料都有用武之地。如我刚才提到的,我们售出的每个SiC晶体管都结合了一个硅MOSFET,从而获得了两种材料系统的最佳性能。

我认为对于大多数市场和我们的大多数竞争对手而言,技术的使用将取决于电压等级。显然,低压或中压应用将由硅主导。对于最高性能、低压应用,我认为GaN将扮演非常重要的角色。一旦达到650V,我认为是硅和SiC并存,低成本设计使用硅,最高性能的设计使用SiC。

我认为针对650V应用,SiC与GaN的对比表明SiC将胜出,这与我们许多竞争对手所说的相反。但是,我对接下来几年的技术发展充满信心,我认为我们在650V应用中将非常有竞争力。在900V及以上的应用中,是SiC的主场。

EETimes China: UnitedSiC 是否会考虑与一些电动汽车企业成立合资公司或是联合实验室,共同开发技术?

Chris Dries: 我们暂时不会考虑成立合资企业,但我们会与中国和其他国家/地区的客户紧密合作。针对我们一些中国客户,我们实际上正在为他们提供die帮助他们创建自己的模块。他们从而可以开发针对特定应用的模块。我们很乐意提供die并协助他们开发自己的器件,但不是严格意义上的合资企业。

EETimes China: 公司在中国目前的业务布局如何?比如在中国的员工数量?

Chris Dries: 我们中国的业务在不断增长。我们在深圳设有办事处,其中有销售人员和应用工程师,在上海设有销售办事处,在台湾也有一个销售办事处,很多台湾同事也经常跑内地。我们未来可能在西安和重庆设立团队,当然还有北京。我们也非常想在中国建立一个更大的应用工程团队,在中国进行我们自己的设计。

EETimes China: 像研发中心?

Chris Dries: 是的。我们非常有兴趣在中国创立研发中心。

EETimes China: 将研发中心搬到中国来有另外一个好处。中美贸易战有影响你们的业务吗?

Chris Dries: 目前并没有影响我们,因为我们的产品实际上是在菲律宾以及中国大陆制造的,这是我们封装厂所在地。在当前环境下,没有关税适用于我们的产品,这非常重要。但是我相信中美贸易纠纷有望尽快解决,因为它仍然不利于全球贸易。总的来说,我相信大多数经济学家都认为这种关税不是个好事,自由的全球贸易要好得多。这是我的想法。

EETimes China: 你们在中国的销售渠道和技术支持是怎样的?

Chris Dries: 我们在全球范围有安富利和艾睿电子作为分销伙伴,另外我们非常有效的分销渠道还有Richardson Electronics,以及中国的众多本地分销商。

我发现在中国,客户关系可能非常本地化,因此让真正了解本地业务的分销商参与业务非常重要。所以,我们将继续开发具有本地经验且与最终客户有合作关系的本地分销渠道。

EETimes China: 也可以藉由这些分销渠道提供更多的FAE支持?

Chris Dries: 是的。线上分销方面,我们发现贸泽电子(Mouser)对我们非常有效。我近期在美国达拉斯与负责我们产品的贸泽团队会过面,他们对支持我们的超结(Super Junction)替代战略非常有帮助。因此,现在正使用coolMOS或Super Junction FET的任何客户都可以在Mouser了解到一种新设计。他们会发现,我们的价格相比硅解决方案,具有极大的竞争优势,这对SiC宽禁带业务带来了极大的变革。

EETimes China: 他们是在计算了你们器件的性能、功耗和价格后,得出的结论?

Chris Dries: 是的,是的,我们可以看一下各类器件之间的比较。还有一点很重要(在接下来的几个月,我们将开始撰写更多相关应用笔记),就是硅的RDS(ON)与SiC的RDS(ON) 非常不同,因为大多数厂商在数据手册上标注的是室温条件下的RDS(ON) ,但是显然大多数人使用这些器件时,温度是在100℃或125℃。我们发现,可以用UnitedSiC的40 mΩ SiC FET代替33 mΩ硅FET。因此,即使在工作温度较高时,RDS(ON)也是相同的,并且开关性能卓越。这也是我们以性能和价值为导向服务客户的体现。

EETimes China: 您对于SiC器件的未来有什么预期?

Chris Dries: 未来十年对我们来说将是令人振奋的。我认为这与我在光通信行业的经验相似,在未来十年,人们对汽车电源和服务器电源的思考方式将发生变化。iPhone于2007年问世,这仅仅是12年前。现在没人能想象生活中没有这台设备了,对吧?

我的预测是,整个汽车行业将在未来十年发生相同的事情,人们将无法想象我们还开着带可燃汽油的汽车。相反,我们将看到向电动汽车和自动驾驶的重大转变。碳化硅将在这场变革中扮演核心角色,无论是在充电基础设施DC-DC转换器中,还是牵引逆变器中,这对我们公司而言非常重要,这也是为什么我们目前在7 mΩ和9 mΩ器件上投入研发的原因。

EETimes China: 公司会有哪些针对中国市场的战略?

Chris Dries: 战略上来说,我们对中国市场与世界其他地方并没有什么不同。我们专注于四个主要市场:汽车市场,我们有车载充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器相关产品。工业市场,包括电机驱动器、工业电池充电、快速充电系统。服务器电源市场,我们有功率因数校正和DC-DC转换设计。可再生能源市场,特别是太阳能逆变器,我们最近在中国被评为最大的光伏逆变器公司之一。专注于这四个市场,就能使我们有稳步的发展。

还有另一个非常有意思的市场正为我们呈现机会,就是电路保护领域。我们的器件具有如此低的RDS(ON),就是我们即将在12月发布的7 mΩ和9 mΩ器件。它们在固态功率控制器和电路保护中也有非常大的用武之地。对我们来说,这是一个新市场,我们暂未有该领域的产品出售。但是,特别是我们的JFET技术非常适合这些应用。

 

 

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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