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近年来，基于硅(Si)、砷化镓(GaAs)半导体材料的功率器件受材料性能所限，正接近物理极限，产业发展进入瓶颈期。而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、热导率高、电子饱和速率高等特点，得到越来越广泛的应用。
工业市场对产品的可靠性、稳定性有更高要求，因此SiC和GaN器件在工业市场有着更大的市场应用空间。意法半导体(ST)是工业半导体市场领先的供应商之一，近年来也在持续推进SiC和GaN器件在工业领域的应用。
日前，意法半导体举办工业媒体交流会。意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁沐杰励介绍了SiC和GaN器件在工业领域的发展情况，以及意法半导体的相关产品解决方案。
SiC MOSFET 在工业领域将保持12%平均增长率
SiC是第三代半导体材料的代表。目前硅基MOSFET应用多在1000V以下，约在600~900V之间，若超过1000V，芯片尺寸会很大，切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。
在工业市场，SiC器件主要应用于直流充电桩及智能电网、工业用电等领域，如SiC功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等电力电子变压器装置中，可以带来高效率、大功率、高频率的优势。其中，2018-2025年SiC MOSFET在工业领域预计将保持在12%的平均增长速度。
沐杰励表示，意法半导体在SiC器件方面，拥有广泛的解决方案，包括分立器件、裸芯片、模块和持续扩大的产能，以支持市场的加速扩张。本次交流会上，意法半导体展示了采用SiC器件与数字控制的15kW双向PFC(3级T型)，解决方案涵盖32位MCU STM32G474、SiC MOSFET SCTW35N65G2V、电气隔离栅极驱动器STGAP2S、模拟温度传感器STLM20W87F、高压变换器VIPer26K。SiC MOSFETs搭配STM32G474可实现70kHz高开关频率运行，实现更高的运行效率，预计一年内将会至少节省330千瓦的能量(以每天运行12小时为例)。
意法半导体对于SiC器件的发展非常重视。去年12月，意法半导体完成了对瑞典SiC晶圆制造商Norstel的整体收购。当前SiC晶圆存在供货短缺的情况，意法半导体收购Norstel股权，一方面是扩大SiC的货源，另一方面也是看中了它的新技术。
意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：“在全球碳化硅产能受限的大环境下，整体并购Norstel将有助于增强ST内部的SiC生态系统，提高我们的生产灵活性，使我们能够更好地控制芯片的良率，进行质量改进，并为我们的碳化硅长远规划和业务发展提供支持。”
据悉，Norstel正在开发一种可提高SiC晶圆质量且降低成本的制造技术。收购Norstel后，意法半导体将可以加强SiC的垂直整合，形成成本优势。Norstel被整合到意法半导体的全球研发和制造业务中，有助于继续发展150mmSiC裸片和外延片的生产，同时研发200mm晶圆以及更广泛的宽禁带材料。
适用低压高频，GaN充电领域快速启动
由于GaN的禁带宽度较大，利用GaN可以获得更大带宽、更大放大器增益、生产尺寸更小的半导体器件。在工业市场，GaN器件产品包括SBD、FET等面向无线充电、电源开关等的产品。目前市面上的GaN充电器可支持USB快充，以27W、30W和45W功率居多。
在本次见面会上，意法半导体介绍了采用一款采用GaN FET SiP 半桥驱动的65W Type-C & PD充电器。该方案的驱动器与2个650V GaN FETs采用同一封装，开关频率达到350kHz，功率密度比市场标准高1.5倍至2倍。
意法半导体对于GaN的开发也十分重视。今年2月，意法半导体宣布与台积电在GaN方面加强合作。意法半导的氮化镓工艺技术来生产GaN产品。台积电业务开发副总经理张晓强表示，期待和意法半导体合作把GaN功率电子的应用带进工业与汽车功率转换。台积电氮化镓制造专业结合意法半导体的产品设计与汽车级验证能力，将大幅提升节能效益，支援工业及汽车功率转换之应用。
日前，意法半导体还收购了法国GaN创新企业Exagan公司的多数股权。Exagan在GaN外延工艺、产品开发和应用方面具有丰富经验，意法半导体对其收购将拓宽在工业、汽车等领域，GaN产品的应用与发展。
总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示：“意法半导体的碳化硅发展势头强劲，现在我们正在扩大对另一种前景很好的复合材料--氮化镓的投入，以促进汽车、工业和消费市场客户采用GaN功率产品。”
新基建加速第三代半导体在工业市场应用
近日，中国开始大力推动新基建的实施。这对SiC和GaN等第三代半导体的应用拓展将起到有效的带动作用。
沐杰励表示，新基建对于SiC器件而言，是一个巨大的机会，ST已经与市场中的主要参与者合作，以满足这一新的要求。ST与客户一起开发解决方案，并通过开发专用的SiC产品，用MCU开发数字控制解决方案。ST还在研究其他组件，例如，在充电站充电时，需要在汽车和充电站之间通信，并设定需要传输的电能功率。
同时，沐杰励认为，GaN器件也有其市场空间。GaN的优势在于其开关频率非常高。高开关频率意味着可以使用尺寸更小的无源元件。如果需要减小器件的外形尺寸，这时GaN将发挥重要作用。
根据沐杰励的估算，在其所负责的亚洲区市场上，2019年SiC的工业市场规模是1.5亿美元。这是一个非常乐观的数字。关于GaN，人们也可以看到一些应用，推出的充电器和一些用于图腾柱技术的设备。因此估算亚洲地区工业GaN市场规模近2500万美元。
至于SiC与GaN的量产成本仍高于Si，这是否会影响在工业控制的应用者意愿?沐杰励认为：“用户会做出明智的选择。哪些设备采用SiC或GaN，哪里的客户就会获得更低的支出/成本，如更低的个人电费支出，更短的手机充电时间，更快的汽车充电时间，更低的耗散功率，更清洁的能源解决方案等。在此情况下，客户会发现成本并不如想象得那样高。我们为价值埋单，尤其是在B2B市场上。因此，如果该解决方案能够满足客户需求，并且总体成本，而不是一个器件的成本相对较低，将对市场有利。”
“当然，宽带隙技术成熟起来还有很长的路要走。但不应该让价格将其限制住。众所周知，成本将随着产量提升而下降。我们不应把它列为首要考虑的问题。”沐杰励指出。
文稿来源：中国电子报、电子信息产业网