近年來，基於(yu) 矽(Si)、砷化镓(GaAs)半導體(ti) 材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理極限，產(chan) 業(ye) 發展進入瓶頸期。而以碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)為(wei) 代表的第三代半導體(ti) 材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場強度高、熱導率高、電子飽和速率高等特點，得到越來越廣泛的應用。工業(ye) 市場對產(chan) 品的可靠性、穩定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工業(ye) 市場有著更大的市場應用空間。意法半導體(ti) (ST)是工業(ye) 半導體(ti) 市場領先的供應商之一，近年來也在持續推進SiC和GaN器件在工業(ye) 領域的應用。日前，意法半導體(ti) 舉(ju) 辦工業(ye) 媒體(ti) 交流會(hui) 。意法半導體(ti) 亞(ya) 太區功率分立和模擬產(chan) 品器件部區域營銷和應用副總裁沐傑勵介紹了SiC和GaN器件在工業(ye) 領域的發展情況，以及意法半導體(ti) 的相關(guan) 產(chan) 品解決(jue) 方案。

SiC MOSFET 在工業(ye) 領域將保持12%平均增長率

SiC是第三代半導體(ti) 材料的代表。目前矽基MOSFET應用多在1000V以下，約在600~900V之間，若超過1000V，芯片尺寸會(hui) 很大，切換損耗、寄生電容也會(hui) 上升。SiC器件相對於(yu) Si器件的優(you) 勢之處在於(yu) 降低能量損耗、更易實現小型化和更耐高溫。

在工業(ye) 市場，SiC器件主要應用於(yu) 直流充電樁及智能電網、工業(ye) 用電等領域，如SiC功率器件在智能電網的主要應用包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器等電力電子變壓器裝置中，可以帶來高效率、大功率、高頻率的優(you) 勢。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工業(ye) 領域預計將保持在12%的平均增長速度。

沐傑勵表示，意法半導體(ti) 在SiC器件方麵，擁有廣泛的解決(jue) 方案，包括分立器件、裸芯片、模塊和持續擴大的產(chan) 能，以支持市場的加速擴張。本次交流會(hui) 上，意法半導體(ti) 展示了采用SiC器件與(yu) 數字控製的15kW雙向PFC(3級T型)，解決(jue) 方案涵蓋32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、電氣隔離柵極驅動器STGAP2S、模擬溫度傳(chuan) 感器STLM20W87F、高壓變換器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可實現70kHz高開關(guan) 頻率運行，實現更高的運行效率，預計一年內(nei) 將會(hui) 至少節省330千瓦的能量(以每天運行12小時為(wei) 例)。

意法半導體(ti) 對於(yu) SiC器件的發展非常重視。去年12月，意法半導體(ti) 完成了對瑞典SiC晶圓製造商Norstel的整體(ti) 收購。當前SiC晶圓存在供貨短缺的情況，意法半導體(ti) 收購Norstel股權，一方麵是擴大SiC的貨源，另一方麵也是看中了它的新技術。意法半導體(ti) 總裁兼首席執行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化矽產(chan) 能受限的大環境下，整體(ti) 並購Norstel將有助於(yu) 增強ST內(nei) 部的SiC生態係統，提高我們(men) 的生產(chan) 靈活性，使我們(men) 能夠更好地控製芯片的良率，進行質量改進，並為(wei) 我們(men) 的碳化矽長遠規劃和業(ye) 務發展提供支持。”

據悉，Norstel正在開發一種可提高SiC晶圓質量且降低成本的製造技術。收購Norstel後，意法半導體(ti) 將可以加強SiC的垂直整合，形成成本優(you) 勢。Norstel被整合到意法半導體(ti) 的全球研發和製造業(ye) 務中，有助於(yu) 繼續發展150mmSiC裸片和外延片的生產(chan) ，同時研發200mm晶圓以及更廣泛的寬禁帶材料。

適用低壓高頻，GaN充電領域快速啟動

由於(yu) GaN的禁帶寬度較大，利用GaN可以獲得更大帶寬、更大放大器增益、生產(chan) 尺寸更小的半導體(ti) 器件。在工業(ye) 市場，GaN器件產(chan) 品包括SBD、FET等麵向無線充電、電源開關(guan) 等的產(chan) 品。目前市麵上的GaN充電器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。在本次見麵會(hui) 上，意法半導體(ti) 介紹了采用一款采用GaN FET SiP 半橋驅動的65W Type-C & PD充電器。該方案的驅動器與(yu) 2個(ge) 650V GaN FETs采用同一封裝，開關(guan) 頻率達到350kHz，功率密度比市場標準高1.5倍至2倍。

意法半導體(ti) 對於(yu) GaN的開發也十分重視。今年2月，意法半導體(ti) 宣布與(yu) 台積電在GaN方麵加強合作。意法半導體(ti) 將采用台積公司的氮化镓工藝技術來生產(chan) GaN產(chan) 品。台積電業(ye) 務開發副總經理張曉強表示，期待和意法半導體(ti) 合作把GaN功率電子的應用帶進工業(ye) 與(yu) 汽車功率轉換。台積電氮化镓製造專(zhuan) 業(ye) 結合意法半導體(ti) 的產(chan) 品設計與(yu) 汽車級驗證能力，將大幅提升節能效益，支援工業(ye) 及汽車功率轉換之應用。

日前，意法半導體(ti) 還收購了法國GaN創新企業(ye) Exagan公司的多數股權。Exagan在GaN外延工藝、產(chan) 品開發和應用方麵具有豐(feng) 富經驗，意法半導體(ti) 對其收購將拓寬在工業(ye) 、汽車等領域，GaN產(chan) 品的應用與(yu) 發展。

意法半導體(ti) 公司總裁兼首席執行官Jean-Marc Chery表示：“意法半導體(ti) 的碳化矽發展勢頭強勁，現在我們(men) 正在擴大對另一種前景很好的複合材料--氮化镓的投入，以促進汽車、工業(ye) 和消費市場客戶采用GaN功率產(chan) 品。”

新基建加速第三代半導體(ti) 在工業(ye) 市場應用

近日，中國開始大力推動新基建的實施。這對SiC和GaN等第三代半導體(ti) 的應用拓展將起到有效的帶動作用。

沐傑勵表示，新基建對於(yu) SiC器件而言，是一個(ge) 巨大的機會(hui) ，ST已經與(yu) 市場中的主要參與(yu) 者合作，以滿足這一新的要求。ST與(yu) 客戶一起開發解決(jue) 方案，並通過開發專(zhuan) 用的SiC產(chan) 品，用MCU開發數字控製解決(jue) 方案。ST還在研究其他組件，例如，在充電站充電時，需要在汽車和充電站之間通信，並設定需要傳(chuan) 輸的電能功率。同時，沐傑勵認為(wei) ，GaN器件也有其市場空間。GaN的優(you) 勢在於(yu) 其開關(guan) 頻率非常高。高開關(guan) 頻率意味著可以使用尺寸更小的無源元件。如果需要減小器件的外形尺寸，這時GaN將發揮重要作用。

根據沐傑勵的估算，在其所負責的亞(ya) 洲區市場上，2019年SiC的工業(ye) 市場規模是1.5億(yi) 美元。這是一個(ge) 非常樂(le) 觀的數字。關(guan) 於(yu) GaN，人們(men) 也可以看到一些應用，例如一些公司推出的充電器和一些用於(yu) 圖騰柱技術的設備。因此估算亞(ya) 洲地區工業(ye) GaN市場規模近2500萬(wan) 美元。

至於(yu) SiC與(yu) GaN的量產(chan) 成本仍高於(yu) Si，這是否會(hui) 影響在工業(ye) 控製的應用者意願?沐傑勵認為(wei) ：“用戶會(hui) 做出明智的選擇。哪些設備采用SiC或GaN，哪裏的客戶就會(hui) 獲得更低的支出/成本，如更低的個(ge) 人電費支出，更短的手機充電時間，更快的汽車充電時間，更低的耗散功率，更清潔的能源解決(jue) 方案等。在此情況下，客戶會(hui) 發現成本並不如想象得那樣高。我們(men) 為(wei) 價(jia) 值埋單，尤其是在B2B市場上。因此，如果該解決(jue) 方案能夠滿足客戶需求，並且總體(ti) 成本，而不是一個(ge) 器件的成本相對較低，將對市場有利。”

“當然，寬帶隙技術成熟起來還有很長的路要走。但不應該讓價(jia) 格將其限製住。眾(zhong) 所周知，成本將隨著產(chan) 量提升而下降。我們(men) 不應把它列為(wei) 首要考慮的問題。”沐傑勵指出。