インフィニオンインタビュー:第3世代半導体とシリコンデバイスは長く共存するでしょう

類似点:従来のシリコン材料と比べて、第三世代の半導体材料である炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)は、より広いバンドギャップ幅と高い臨界電界強さを持ち、これら二つの材料から作られたパワー半導体は、高い電圧抵抗、低いオン抵抗、低い寄生パラメータといった優れた特性を持っています。

違いとそれぞれの用途:また、炭素化ケイ素と窒化ケイ素という2つの広帯域ギャップ半導体材料の間にも多くの違いがあります。

異なる電圧やその他の特性は異なる用途を対象としています。炭素化シリコンは650Vから3.3kVの電圧範囲に適しており、1200V以上の高周波デバイスとなります。また、高い電力密度を持ち、太陽光インバーター、新エネルギー車両充電、鉄道輸送、燃料電池の高速空気圧縮機、DCDCや電気自動車のモーター駆動、デジタルトレンドのデータセンターなど幅広い用途があります。これらはすべて、シリコンカーバイドの応用市場となります。 インフィニオンはこれらの市場で3,000以上の顧客にシリコンカーバイド製品を供給しています。

炭化ケイ素と比べて、窒化ガリウムは中電圧の80Vから650Vまでの低電圧範囲に適しています。 しかし、高速なスイッチング周波数を特徴とし、窒化ガリウムスイッチング周波数はMHzレベルに達するため、高速充電やデータセンターなど、最も高いスイッチング周波数を持つ中出力用途に適しています。

SiC/GaNの成長見通し:全体として、シリコンカーバイド市場は強い成長を遂げています。 当初、需要は主に太陽光エネルギーや電気自動車充電などの産業用途によって牽引されていましたが、現在では自動車用途の高い需要にますます追い越されています。 もう一つ非常に有望な半導体材料は窒化ガリウムです。 例えば、消費者向け機器用充電器や通信機器用電源などのコンパクトで高性能、特に効率的な充電システムの分野では、その利点が特に顕著です。 窒化ガリウム市場も急速な成長が見込まれており、2020年には4,700万ドルから2025年には8億100万ドルへと成長しています(年平均成長率:76%)。

インフィニオンの主な製品:競合他社と比べて、インフィニオンの強みはシリコン、窒化ガリウム、カーバイドの3つの主要なパワー半導体技術を保有し、半導体設計、生産、さまざまな応用分野で豊富な経験を蓄積していることにあります。これにより、当社は顧客志向であり、お客様の独自の応用要件を満たす優れた製品とソリューションを提供しています。

02

デュアルカーボン政策の継続的な進展により、第三世代半導体はエネルギー節約や効率向上の観点から関連システムにどのような新たな競争優位をもたらすことができるでしょうか?御社は、システムのエネルギー効率向上に役立つ第3世代半導体パワーデバイスに関するどのようなソリューションを持っていますか?

ムーア時代の到来にあたり、人類社会はインターネット・オブ・エブリシング、人工知能、ビッグデータ、スマートシティ、インテリジェント交通などの技術を通じて生活の質向上を追求し、その発展のペースを加速させています。 一方で、低炭素生活を通じて地球の気候条件を改善するという意見は、ますます合意に近づいています。

現在、世界のエネルギー需要の約3分の1が電力から来ています。増加するエネルギー需要、化石燃料資源の枯渇、気候変動のような問題により、私たちはエネルギーの生産、輸送、流通、貯蔵、利用においてより賢明で効率的な方法を模索する必要があります。

エネルギー変換チェーン全体を通じて、第三世代半導体技術の省エネ効果は、長期的な世界的な省エネ目標達成に大きく貢献できます。 さらに、広帯域ギャップ製品とソリューションは効率の向上、電力密度の向上、サイズの削減、重量の削減、全体的なコストの削減に寄与し、交通、新エネルギー発電、エネルギー貯蔵、データセンター、スマートビルディング、家電、個人用電子機器など幅広い応用シナリオでのエネルギー効率向上に貢献しています。

例えば、パワーエレクトロニクスの応用では、1200Vを超える耐電圧を持つ高速パワーデバイスが長らく期待されており、現在ではSiC MOSFETが最有力候補となっています。

高速に加え、炭化ケイ素は高い熱伝導率、高い破壊場強度、高い飽和電子ドリフト率を特徴とし、高温・高出力・高電圧・高周波・放射抵抗などの過酷な環境に特に適しています。

電力密度もデバイス技術の重要な側面です。 SiC MOSFETチップはIGBT(ジック・バイ・シック・アンド・シック・シック)よりもはるかに小さな面積を持っています。例えば、100A 1200V SiC MOSFETチップは、IGBTとフリーウィーラーダイオードを合わせた約5分の1の大きさです。 したがって、モーター駆動用途では、650V SiC MOSFETを含むSiC MOSFETの価値がよく実現されています。

高電圧抵抗の観点から、1200Vを超えるSiC高速デバイスは、システムのスイッチング周波数を上げることでシステムの性能と電力密度を向上させることができます。 以下は2つの例です。

a) 高電圧・高速・高電流のデバイスとして、炭化ケイ素デバイスは直流パイル充電モジュールの回路構造を簡素化し、ユニット出力を増加させ、電力密度を大幅に向上させることで、充電パイルのシステムコスト削減への道を開きます。

電気自動車の直流充電ステーションの電源ユニットでは、Si MOSFETを使用する場合、2チャネルが直列に接続されますが、SiC MOSFETでは1チャネルのみで対応できるため、充電ステーションの単一ユニットの電力を大幅に増加させます。

インフィニオンの単一シリコンカーバイド管を使用した充電モジュールの出力は30キロワットを超えます。 インフィニオンのシリコンカーバイドモジュールを使用すると、充電モジュールの出力は60キロワットを超えることができます。 MOSFET/IGBT単管管の設計はまだ15〜30kWのレベルにあります。

b) 三相システムにおけるフライバック補助電源(1700V SiC MOSFET搭載)も理想的な解決策です。

信頼性と品質保証の観点から、SiCデバイスには平面ゲートとトレンチゲートの2種類があります。インフィニオンのトレンチゲートSiC MOSFETは、フラットゲート酸化膜層による信頼性問題を効果的に回避しつつ、より高い電力密度を提供します。

これらの卓越した性能により、SiC MOSFETは太陽光インバーター、UPS、ESS、電気自動車充電、燃料電池、モータードライブ、電気自動車などに応用されています。

しかし、シリコンカーバイドは包括的な用途において究極の解決策となるのでしょうか?

よく知られているように、シリコンベースのパワー半導体が主な代表例です— — IGBT技術は性能向上においていくつかの困難に直面しています。 スイッチング損失と飽和電圧降下の低減は互いに制約し合い、損失削減や効率向上の余地が減ります。その結果、業界はSiCが破壊的な技術になることを期待しています。 しかし、この見解はあまり包括的ではありません。 まず、インフィニオンを代表するシリコンベースのIGBT技術も進展しています。パッケージング技術の進歩により、IGBTデバイスの性能と電力密度は向上しています。 同時に、異なる用途向けに開発された製品は、システム内のシリコンデバイスの性能を向上させるための特別な最適化を受けることもあり、それによってシステム性能とコスト効率が向上します。 したがって、第三世代半導体の開発はシリコンデバイスと必然的に並行して進むでしょう。技術の進歩とともに、さまざまな用途における大規模な商業的価値要因の考慮も必要です。第3世代デバイスがすべての応用シナリオでシリコンデバイスを迅速に置き換えることを期待するのは非現実的です。

03

新エネルギー車両や充電パイルも第三世代半導体の主要な応用分野の一つとなっている中で、これら二つの分野で第三世代半導体の主な技術的利点は何だと思いますか? システムの効率や性能にどのような新たな改良や応用の可能性をもたらすのでしょうか?

新エネルギー車両:

新エネルギー車関連分野では、航続距離とバッテリー容量が鍵となります。SiC技術は同じ航続距離で走行距離を大幅に改善したり、バッテリーの設置やコストを削減したりできます。 そのため、SiCは特に牽引メインインバーター、オンボードチャージャーOBC、高低電圧DC-DCコンバーターでますます採用されています。

SiCが上記の応用にもたらす技術的利点:

牽引メインインバーター:

バッテリー使用率を5%以上増加させる

高い電力密度はシステムサイズを縮小できます

軽負荷時の伝導損失の低さ

シリコンベースのIGBT(シリコンベースIGBT)よりもスイッチング損失が低い

冷却要求の低減と受動部品の減少により、システムコストが削減されます

オンボード充電器OBCとDCDC:

スイッチング速度の高速は受動部品の削減につながり、電力密度の向上や小型化を実現します。

クール・シック&トレード; 自動車用MOSFETは、高速スイッチング条件下で業界で最も低いスイッチング損失を誇ります

PFCおよびDC-DC段階では、オンボードチャージャーの効率を1%向上させ、冷却要求を低減します。

トーテムポールのトポロジーは双方向充電をサポートします

今後数年で、異なる半導体技術が市場に共存し、それぞれが異なる応用シナリオで独自の利点を提供することを強調することが重要です。 牽引インバーターでは、SiCおよびシリコンベースのIGBTは、それぞれ異なる燃費、効率、コストの考慮点に基づいて独自の機会を持っています。 例えば、SiCは後輪の主トラクション駆動に使われ、巡航距離を広げることができます。 コスト最適化のために前輪にはシリコンベースのIGBTが使用されています。 オンボード充電器のような極端なケースでは、IGBT、シリコンベースダイオード、シリコンベースMOSFET、スーパージャンクションMOSFET、SiC MOSFETなど、最大5つの異なる半導体技術を同一アーキテクチャ内で同時に使用可能です。

インフィニオンの自動車グレードシリコンカーバイド製品におけるレイアウト:

インフィニオンは幅広いSiCソリューションと、CoolSiCおよび貿易を含む様々なxEVシステム向けの包括的な自動車グレード製品ラインを展開しています。 自動車用ダイオード、クールSiCおよび貿易; 自動車用MOSFETおよびフルSiCモジュールのハイブリッドパック&トレード; クールドライブ&トレード; その他にも。

最近、2021年3月に業界をリードするスイッチングおよび導電損失を提供する650V CoolSiC & tradeをリリースしました。 ハイブリッドの離散デバイス。 シリコンデバイスと比べて高いスケーラビリティを提供し、複数の車両モデルで広く使用されています。 この装置は、理想的なコストパフォーマンスを持つ双方向充電のトレンドに完全に合致しています。

5月には、インフィニオンが牽引インバーター用のHybridPack-Drive CoolSiCを発売しました。 製品。 ハイブリッドパックドライブシリーズは100万台以上出荷され、世界中の20以上の自動車プラットフォームで使用されています。 新しいハイブリッドパック - Drive CoolSiC & Trade; この製品は市場で初めて自動車グレード認証を通過したモジュールであり、対応するシリコンデバイスと比較して高いスケーラビリティを持ち、180kWの出力範囲を容易にカバーしています。 この製品は、当社の改良型トレンチゲートMOSFET技術を基にしており、高い信頼性と高性能の両方を特徴としています。 この製品は800Vバッテリーシステムで使用可能で、2つの電流レベルを選択可能にし、すでにヒュンダイの新型Ioniq 5モデル(800V e-GMPプラットフォーム)に搭載されています。

インフィニオンのSiとSiCの製品ラインはどちらも高いスケーラビリティを提供しており、これが他ブランドと差別化する重要な特徴です。 ユーザーは必要に応じて、SiおよびSiC製品ラインから異なるパッケージ、電圧レベル、電力レベルを自由に選択でき、高い設計柔軟性を実現し、製品の市場投入時間を加速させ、設計の難易度を軽減します。 この機能は、電気自動車など急速に変化する市場で顧客が非常に重視する要素です。 さらに、当社の製品の高効率機能は、お客様の電気自動車走行距離向上という設計目標達成を支援します。

04

データセンターは省エネと消費削減の重要な応用分野です。第三世代半導体がデータセンターのエネルギー効率をどのように向上できると思いますか? データセンターにおいて、どの第三世代半導体製品が広く適用できるのでしょうか? 第三世代半導体の応用はデータセンター機能のアップグレードにどのような影響を与えるのでしょうか?

実際、データセンターは多くのエネルギーを消費しています。 2021年の電力消費量は約937億kWhでした。 言い換えれば、実際にはエネルギー消費の大部分はIT機器の消費から来ていますが、電力供給の送配電構造全体がデータセンター全体のエネルギー効率を決定します。 したがって、従来のUPS配電構造から、電力電子変圧器(SST)を主なインターフェースとする統合電源システム、つまり本質的に直流電源システムへと移行する新たな傾向が見られると見ています。

シリコンカーバイド技術に基づき、この電力電子変圧器は10 kVの主電源を直接380 V直流に変換できます。 現在使用されている事例に基づけば、電力供給効率は95%以上、直流配電ネットワークの効率も97%以上向上可能です。したがって、この分野では2022年により大きな開発と検証が行われると考えられています。 このプロセスを通じて、インフィニオンの先進的なシリコンカーバイド技術を活用し、データセンターの電力供給の継続性と安全性を確保することも非常に期待しています。

05

第三世代半導体材料の普及と応用により、窒化ガリウムは高速充電市場を急速に席巻しているだけでなく、将来的にどの分野で登場する可能性があるのでしょうか? 御社はどのような製品やソリューションを提供していますか?

GaN市場の変化:過去2年間で、シリコンベースのGaNスイッチギアの商業化は、5年前の一般的な市場見解と比べて大きく変化し、特にGaN部品を使った高出力密度急速充電の急速な成長が注目されています。 これは、技術が新素材市場の発展に影響を与える多くの要因の一つに過ぎないことを示しています。 今後5年間で私たちが楽観的に見ている窒化ガリウムの応用分野には、消費者向け高速充電、サーバー/通信電源、モータードライバー、産業用電源、オーディオ機器、ワイヤレス充電、LiDARなどが含まれます。これらの中でも、急速充電はGaNスイッチングデバイス市場の成長を引き続き牽引し続けるでしょう。

GaNの実装における技術的課題とインフィニオンのソリューション:電力スイッチングデバイスとしてシリコンベースのGaNは商業化が進んでおり、性能や価格に加え、最も懸念されるのは長期的な信頼性です。 現在、大多数のGaNスイッチングデバイスはシリコン基板上でGaNを成長させ、2次元電子ガスをチャネルとしてGaN HEMTを使用しています。 IRが2010年に業界初のシリコンベースのGaNスイッチギアを発表して以来、シリコンベースのGaNに関する研究はかなり深く進めてきましたが、本格的な大規模応用が生まれたのは近年のことです。 相対的に言えば、シリコンや炭化シリコンは市場に出ていて、既存のデバイス数もはるかに多いため、他の2つの材料と比べて窒化ガリウムは解析可能な故障ケースがはるかに少ないのです。 これが、急速充電の消費財が窒化ガリウムの急速な成長エンジンとなっている理由の一つです。 さらに、シリコン系GaNの超低寄生パラメータは、ユーザーに極めて低いスイッチング損失を提供するだけでなく、こうしたデバイスの駆動難易度を大幅に高めています。

インフィニオンは初期からシリコンベースのGaN研究の信頼性に注力し、JEDEC標準を超えた複数の指標を追加して、当社が生産するシリコンベースのGaNの長期的な信頼性が市場平均を大きく上回ることを確保しました。 さらに、シリコン系GaNの長期信頼性は、その応用シナリオにおけるデバイスの電圧変動、スイッチング周波数、デューティサイクル、温度などと密接に関連しています。 したがって、製品は特定の応用シナリオについて、シリコンベースのGaNサプライヤーの技術サポート担当者と詳細な議論を行い、長期的な信頼性を評価することを推奨します。 デバイス駆動に関しては、インフィニオンはドライバー回路設計時のユーザー負担軽減のために専用の窒化ガリウムドライバーを開発しました。

06

この半導体不足の波が徐々に収束する中で、チップサプライチェーンには改善が必要な多くの分野があることがわかります。では、第3世代半導体はどのようにサプライチェーンを最適化していくのでしょうか? 電力半導体企業は材料サプライチェーンの問題にどのように取り組めるのでしょうか?

現在、インフィニオンはSiCの産業応用市場をリードし、業界で最も広範かつ拡張性の高い製品ポートフォリオで自動車分野でのSiC活用を成功裏に推進しています。 同社は3,000以上の顧客に直接または流通を通じて供給しています。 20年以上にわたり、シリコンカーバイド(SiC)はインフィニオンにとって非常に重要な存在でした。 早い2001年には、SiCベースの製品とソリューションを市場に投入しました。

昨年10月のキャピタルマーケットデーで、インフィニオンはシリコンカーバイドおよび窒化ガリウム(GaN)事業の見通しを発表しました。 インフィニオンは、今会計年度にシリコンカーバイド事業が90%成長し、2025年頃までに売上高10億ドル、市場シェア30%に達すると見込んでいます。

供給の信頼性を確保するために、インフィニオンは広範なサプライヤーネットワークと様々なパートナーとの共同事業に依存しています。

インフィニオンはまた、主に化合物半導体を製造する工場をキュリンに設立するために20億ユーロ以上の投資計画も発表しました。 私たちは引き続きフィラックの生産能力を拡大していきます。

2018年、インフィニオンは戦略的にシルテクトラのウェハーおよびインゴット切断技術を買収し、SiC生産における原材料廃棄物を大幅に削減して生産量を増やし、競争力を高めました。

07

コストが下がる中で、将来的にGaNがダイオード、IGBT、MOSFETなどのシリコンベースのパワーデバイスを完全に置き換えられると思いますか? 第三世代半導体はパワーデバイスプロセスにどのような変化をもたらしましたか?

少なくとも近い将来、第三世代半導体が第一世代の半導体を完全に置き換えることはありません。 コストパフォーマンスの観点から見ると、シリコンベースの半導体は幅広い用途において依然として最良の選択肢です。 第三世代半導体の商業化における現在のボトルネックは高いコストです。コストは急速に低下していますが、それでもシリコン系半導体よりはるかに高いです。

もちろん、市場に出ている第3世代半導体デバイスがシリコンベースの半導体に近い価格で販売されている場合もありますが、それがシリコンベースの半導体に近い価格であることを意味しません。これは低価格で市場を刺激するビジネスの一手です。 現時点で、第三世代半導体のコストは依然としてシリコン系半導体よりもはるかに高いままです。

近い将来、シリコンベースの半導体が市場の大部分を占め続けるでしょう。 炭化ケイ素は主に高出力・高電圧のシナリオで使用されます。 GaNは主に超高周波を必要とする場面で使われ、スマートフォンの急速充電がその代表例です。

出典:エレクトロニクス・ワールド 著者:インフィニオン・テクノロジー