近年來，基于硅(Si)、砷化鎵(GaAs)半導體材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理極限，產業發展進入瓶頸期。而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料，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。工業市場對產品的可靠性、穩定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工業市場有著更大的市場應用空間。意法半導體(ST)是工業半導體市場領先的供應商之一，近年來也在持續推進SiC和GaN器件在工業領域的應用。日前，意法半導體舉辦工業媒體交流會。意法半導體亞太區功率分立和模擬產品器件部區域營銷和應用副總裁沐杰勵介紹了SiC和GaN器件在工業領域的發展情況，以及意法半導體的相關產品解決方案。
SiC MOSFET 在工業領域將保持12%平均增長率
SiC是第三代半導體材料的代表。目前硅基MOSFET應用多在1000V以下，約在600~900V之間，若超過1000V，芯片尺寸會很大，切換損耗、寄生電容也會上升。SiC器件相對于Si器件的優勢之處在于降低能量損耗、更易實現小型化和更耐高溫。
在工業市場，SiC器件主要應用于直流充電樁及智能電網、工業用電等領域，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、高頻率的優勢。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工業領域預計將保持在12%的平均增長速度。
沐杰勵表示，意法半導體在SiC器件方面，擁有廣泛的解決方案，包括分立器件、裸芯片、模塊和持續擴大的產能，以支持市場的加速擴張。本次交流會上，意法半導體展示了采用SiC器件與數字控制的15kW雙向PFC(3級T型)，解決方案涵蓋32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、電氣隔離柵極驅動器STGAP2S、模擬溫度傳感器STLM20W87F、高壓變換器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可實現70kHz高開關頻率運行，實現更高的運行效率，預計一年內將會至少節省330千瓦的能量(以每天運行12小時為例)。
意法半導體對于SiC器件的發展非常重視。去年12月，意法半導體完成了對瑞典SiC晶圓制造商Norstel的整體收購。當前SiC晶圓存在供貨短缺的情況，意法半導體收購Norstel股權，一方面是擴大SiC的貨源，另一方面也是看中了它的新技術。意法半導體總裁兼首席執行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅產能受限的大環境下，整體并購Norstel將有助于增強ST內部的SiC生態系統，提高我們的生產靈活性，使我們能夠更好地控制芯片的良率，進行質量改進，并為我們的碳化硅長遠規劃和業務發展提供支持。”
據悉，Norstel正在開發一種可提高SiC晶圓質量且降低成本的制造技術。收購Norstel后，意法半導體將可以加強SiC的垂直整合，形成成本優勢。Norstel被整合到意法半導體的全球研發和制造業務中，有助于繼續發展150mmSiC裸片和外延片的生產，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
由于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、生產尺寸更小的半導體器件。在工業市場，GaN器件產品包括SBD、FET等面向無線充電、電源開關等的產品。目前市面上的GaN充電器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。在本次見面會上，意法半導體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2個650V GaN FETs采用同一封裝，開關頻率達到350kHz，功率密度比市場標準高1.5倍至2倍。
意法半導體對于GaN的開發也十分重視。今年2月，意法半導體宣布與臺積電在GaN方面加強合作。意法半導體將采用臺積公司的氮化鎵工藝技術來生產GaN產品。臺積電業務開發副總經理張曉強表示，期待和意法半導體合作把GaN功率電子的應用帶進工業與汽車功率轉換。臺積電氮化鎵制造專業結合意法半導體的產品設計與汽車級驗證能力，將大幅提升節能效益，支援工業及汽車功率轉換之應用。
日前，意法半導體還收購了法國GaN創新企業Exagan公司的多數股權。Exagan在GaN外延工藝、產品開發和應用方面具有豐富經驗，意法半導體對其收購將拓寬在工業、汽車等領域，GaN產品的應用與發展。
意法半導體公司總裁兼首席執行官Jean-Marc Chery表示：“意法半導體的碳化硅發展勢頭強勁，現在我們正在擴大對另一種前景很好的復合材料--氮化鎵的投入，以促進汽車、工業和消費市場客戶采用GaN功率產品。”
新基建加速第三代半導體在工業市場應用
近日，中國開始大力推動新基建的實施。這對SiC和GaN等第三代半導體的應用拓展將起到有效的帶動作用。
沐杰勵表示，新基建對于SiC器件而言，是一個巨大的機會，ST已經與市場中的主要參與者合作，以滿足這一新的要求。ST與客戶一起開發解決方案，并通過開發專用的SiC產品，用MCU開發數字控制解決方案。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，并設定需要傳輸的電能功率。同時，沐杰勵認為，GaN器件也有其市場空間。GaN的優勢在于其開關頻率非常高。高開關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。
根據沐杰勵的估算，在其所負責的亞洲區市場上，2019年SiC的工業市場規模是1.5億美元。這是一個非常樂觀的數字。關于GaN，人們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于圖騰柱技術的設備。因此估算亞洲地區工業GaN市場規模近2500萬美元。
至于SiC與GaN的量產成本仍高于Si，這是否會影響在工業控制的應用者意愿?沐杰勵認為：“用戶會做出明智的選擇。哪些設備采用SiC或GaN，哪里的客戶就會獲得更低的支出/成本，如更低的個人電費支出，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，更清潔的能源解決方案等。在此情況下，客戶會發現成本并不如想象得那樣高。我們為價值埋單，尤其是在B2B市場上。因此，如果該解決方案能夠滿足客戶需求，并且總體成本，而不是一個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。但不應該讓價格將其限制住。眾所周知，成本將隨著產量提升而下降。我們不應把它列為首要考慮的問題。”沐杰勵指出。
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