近年來(lái)，基于硅(Si)、砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理極限，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。而以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高等特點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。工業(yè)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工業(yè)市場(chǎng)有著更大的市場(chǎng)應(yīng)用空間。意法半導(dǎo)體(ST)是工業(yè)半導(dǎo)體市場(chǎng)領(lǐng)先的供應(yīng)商之一，近年來(lái)也在持續(xù)推進(jìn)SiC和GaN器件在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。日前，意法半導(dǎo)體舉辦工業(yè)媒體交流會(huì)。意法半導(dǎo)體亞太區(qū)功率分立和模擬產(chǎn)品器件部區(qū)域營(yíng)銷(xiāo)和應(yīng)用副總裁沐杰勵(lì)介紹了SiC和GaN器件在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展情況，以及意法半導(dǎo)體的相關(guān)產(chǎn)品解決方案。

SiC MOSFET 在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒈３?2%平均增長(zhǎng)率

SiC是第三代半導(dǎo)體材料的代表。目前硅基MOSFET應(yīng)用多在1000V以下，約在600~900V之間，若超過(guò)1000V，芯片尺寸會(huì)很大，切換損耗、寄生電容也會(huì)上升。SiC器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)之處在于降低能量損耗、更易實(shí)現(xiàn)小型化和更耐高溫。

在工業(yè)市場(chǎng)，SiC器件主要應(yīng)用于直流充電樁及智能電網(wǎng)、工業(yè)用電等領(lǐng)域，如SiC功率器件在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)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(lái)高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢(shì)。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工業(yè)領(lǐng)域預(yù)計(jì)將保持在12%的平均增長(zhǎng)速度。

沐杰勵(lì)表示，意法半導(dǎo)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(xù)擴(kuò)大的產(chǎn)能，以支持市場(chǎng)的加速擴(kuò)張。本次交流會(huì)上，意法半導(dǎo)體展示了采用SiC器件與數(shù)字控制的15kW雙向PFC(3級(jí)T型)，解決方案涵蓋32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、電氣隔離柵極驅(qū)動(dòng)器STGAP2S、模擬溫度傳感器STLM20W87F、高壓變換器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可實(shí)現(xiàn)70kHz高開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行效率，預(yù)計(jì)一年內(nèi)將會(huì)至少節(jié)省330千瓦的能量(以每天運(yùn)行12小時(shí)為例)。

意法半導(dǎo)體對(duì)于SiC器件的發(fā)展非常重視。去年12月，意法半導(dǎo)體完成了對(duì)瑞典SiC晶圓制造商N(yùn)orstel的整體收購(gòu)。當(dāng)前SiC晶圓存在供貨短缺的情況，意法半導(dǎo)體收購(gòu)Norstel股權(quán)，一方面是擴(kuò)大SiC的貨源，另一方面也是看中了它的新技術(shù)。意法半導(dǎo)體總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅產(chǎn)能受限的大環(huán)境下，整體并購(gòu)Norstel將有助于增強(qiáng)ST內(nèi)部的SiC生態(tài)系統(tǒng)，提高我們的生產(chǎn)靈活性，使我們能夠更好地控制芯片的良率，進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，并為我們的碳化硅長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和業(yè)務(wù)發(fā)展提供支持?！?/p>

據(jù)悉，Norstel正在開(kāi)發(fā)一種可提高SiC晶圓質(zhì)量且降低成本的制造技術(shù)。收購(gòu)Norstel后，意法半導(dǎo)體將可以加強(qiáng)SiC的垂直整合，形成成本優(yōu)勢(shì)。Norstel被整合到意法半導(dǎo)體的全球研發(fā)和制造業(yè)務(wù)中，有助于繼續(xù)發(fā)展150mmSiC裸片和外延片的生產(chǎn)，同時(shí)研發(fā)200mm晶圓以及更廣泛的寬禁帶材料。

適用低壓高頻，GaN充電領(lǐng)域快速啟動(dòng)

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(chǎn)尺寸更小的半導(dǎo)體器件。在工業(yè)市場(chǎng)，GaN器件產(chǎn)品包括SBD、FET等面向無(wú)線充電、電源開(kāi)關(guān)等的產(chǎn)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(jiàn)面會(huì)上，意法半導(dǎo)體介紹了采用一款采用GaN FET SiP 半橋驅(qū)動(dòng)的65W Type-C & PD充電器。該方案的驅(qū)動(dòng)器與2個(gè)650V GaN FETs采用同一封裝，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到350kHz，功率密度比市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)高1.5倍至2倍。

意法半導(dǎo)體對(duì)于GaN的開(kāi)發(fā)也十分重視。今年2月，意法半導(dǎo)體宣布與臺(tái)積電在GaN方面加強(qiáng)合作。意法半導(dǎo)體將采用臺(tái)積公司的氮化鎵工藝技術(shù)來(lái)生產(chǎn)GaN產(chǎn)品。臺(tái)積電業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總經(jīng)理張曉強(qiáng)表示，期待和意法半導(dǎo)體合作把GaN功率電子的應(yīng)用帶進(jìn)工業(yè)與汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換。臺(tái)積電氮化鎵制造專(zhuān)業(yè)結(jié)合意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與汽車(chē)級(jí)驗(yàn)證能力，將大幅提升節(jié)能效益，支援工業(yè)及汽車(chē)功率轉(zhuǎn)換之應(yīng)用。

日前，意法半導(dǎo)體還收購(gòu)了法國(guó)GaN創(chuàng)新企業(yè)Exagan公司的多數(shù)股權(quán)。Exagan在GaN外延工藝、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)，意法半導(dǎo)體對(duì)其收購(gòu)將拓寬在工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域，GaN產(chǎn)品的應(yīng)用與發(fā)展。

意法半導(dǎo)體公司總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示：“意法半導(dǎo)體的碳化硅發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，現(xiàn)在我們正在擴(kuò)大對(duì)另一種前景很好的復(fù)合材料--氮化鎵的投入，以促進(jìn)汽車(chē)、工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)客戶(hù)采用GaN功率產(chǎn)品。”

新基建加速第三代半導(dǎo)體在工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用

近日，中國(guó)開(kāi)始大力推動(dòng)新基建的實(shí)施。這對(duì)SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用拓展將起到有效的帶動(dòng)作用。

沐杰勵(lì)表示，新基建對(duì)于SiC器件而言，是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)，ST已經(jīng)與市場(chǎng)中的主要參與者合作，以滿(mǎn)足這一新的要求。ST與客戶(hù)一起開(kāi)發(fā)解決方案，并通過(guò)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的SiC產(chǎn)品，用MCU開(kāi)發(fā)數(shù)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(shí)，需要在汽車(chē)和充電站之間通信，并設(shè)定需要傳輸?shù)碾娔芄β省Ｍ瑫r(shí)，沐杰勵(lì)認(rèn)為，GaN器件也有其市場(chǎng)空間。GaN的優(yōu)勢(shì)在于其開(kāi)關(guān)頻率非常高。高開(kāi)關(guān)頻率意味著可以使用尺寸更小的無(wú)源元件。如果需要減小器件的外形尺寸，這時(shí)GaN將發(fā)揮重要作用。

根據(jù)沐杰勵(lì)的估算，在其所負(fù)責(zé)的亞洲區(qū)市場(chǎng)上，2019年SiC的工業(yè)市場(chǎng)規(guī)模是1.5億美元。這是一個(gè)非常樂(lè)觀的數(shù)字。關(guān)于GaN，人們也可以看到一些應(yīng)用，例如一些公司推出的充電器和一些用于圖騰柱技術(shù)的設(shè)備。因此估算亞洲地區(qū)工業(yè)GaN市場(chǎng)規(guī)模近2500萬(wàn)美元。

至于SiC與GaN的量產(chǎn)成本仍高于Si，這是否會(huì)影響在工業(yè)控制的應(yīng)用者意愿?沐杰勵(lì)認(rèn)為：“用戶(hù)會(huì)做出明智的選擇。哪些設(shè)備采用SiC或GaN，哪里的客戶(hù)就會(huì)獲得更低的支出/成本，如更低的個(gè)人電費(fèi)支出，更短的手機(jī)充電時(shí)間，更快的汽車(chē)充電時(shí)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(hù)會(huì)發(fā)現(xiàn)成本并不如想象得那樣高。我們?yōu)閮r(jià)值埋單，尤其是在B2B市場(chǎng)上。因此，如果該解決方案能夠滿(mǎn)足客戶(hù)需求，并且總體成本，而不是一個(gè)器件的成本相對(duì)較低，將對(duì)市場(chǎng)有利?！?/p>

“當(dāng)然，寬帶隙技術(shù)成熟起來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。但不應(yīng)該讓價(jià)格將其限制住。眾所周知，成本將隨著產(chǎn)量提升而下降。我們不應(yīng)把它列為首要考慮的問(wèn)題。”沐杰勵(lì)指出。