隨著全球能源結構的升級不斷深入，寬禁帶半導體器件因為其優(yōu)勢特性而備受行業(yè)內關注。ST在碳化硅領域投資已經超過25年，獲得了全球50%以上的SiCMOSFET市場份額；并且在氮化稼領域也積極開展技術研發(fā)和資本投入，加快推進GaN戰(zhàn)略。近日ST專門召開了寬禁帶半導體線上媒體溝通會，意法半導體汽車和分立器件產品部(ADG) 執(zhí)行副總裁，功率晶體管事業(yè)部總經理Edoardo MERLI針對寬禁帶半導體的技術優(yōu)勢、戰(zhàn)略布局進行了精彩的分享。

寬禁帶器件的優(yōu)勢和當前局限

據(jù)IEA（ International Energy Agency）預測，電力消耗的需求持續(xù)增長，從2020到2030全球電力需求增長率將超過30%。而另一方面，受制于全球環(huán)境惡化的重重壓力，全球約定的碳排量需要大幅降低，可再生能源的發(fā)電比率需要持續(xù)提高。

從2019年的用電比例來看，工業(yè)是用電量大頭。全球工業(yè)用電效率提高1%，則可節(jié)約出約15個核電站的發(fā)電量。從電能產生、到電能輸送、存儲到最終使用，如何從整個電力轉換鏈上進行提高能源利用效率，增加可再生能源使用率是整個行業(yè)關注的熱點話題。而諸如SiC和GaN這類寬禁帶器件因為其天然的特性，相比傳統(tǒng)的硅器件有著更好的效能。

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，GaN和SiC的工作電壓更高、開關速度更快、導通電阻更低，因此在能效方面可以做到超越。雖然都是寬禁帶器件，但GaN和SiC的器件特性也有著明顯的差異，其中SiC的工作電壓要比GaN高得多，因此更適用于高壓的應用中，譬如汽車和工業(yè)等大功率系統(tǒng)設備中；而GaN的開關頻率要更快，因此更適合快充、射頻開關等應用領域，例如一些小型化的電源適配器等、射頻開關等。借助SiC和GaN這類寬禁帶器件，可以在傳統(tǒng)拓撲上實現(xiàn)更簡單和高效的設計，從而實現(xiàn)系統(tǒng)層面上整體的成本降低，實現(xiàn)小型化和輕量化。

得益于寬禁帶半導體的這些優(yōu)勢，在工業(yè)、消費、電動汽車等領域都可以幫助產業(yè)實現(xiàn)更高能效升級。其中電動汽車作為能源結構升級的重要應用領域之一，各國和各地區(qū)都做出了轉型的承諾。受益于整個汽車產業(yè)的范式轉變，碳化硅器件的需求將會持續(xù)擴大。

以電動汽車的逆變器為例，SiC MOSFET逆變器相比IGBT逆變器可以實現(xiàn)更高的集成度、更小的體積，并且將開關損耗減少80%。據(jù)Edoardo Merli分享，采用SiC MOSFET逆變器的電動汽車，在全工作負載的情況下，整體的能效都要比IGBT逆變器好得多。而且實際汽車的使用過程中，超過95%的工況都是在低負載的情況，這種低負載工況下IGBT逆變器和SiC MOSFET逆變器的能效比相差了3～4個百分點。

雖然寬禁帶器件有著領先傳統(tǒng)硅材料器件的優(yōu)勢，但在生產良率、成本、系統(tǒng)集成、可靠性等方面與非常成熟的硅工藝而言仍有著不小的差距。

碳化硅已經實現(xiàn)了大規(guī)模的商用，但相比硅材料在生產上需要的條件更為嚴苛，需要更高的溫度、更新的工藝和其他加工條件。在產出率和工序方面，碳化硅仍然落后于硅。如何實現(xiàn)工藝上的迭代升級、提高生產良率和可靠性，是SiC器件要解決的關鍵問題。而GaN的可靠性不足是其在進入工業(yè)和汽車等領域一個限制，此外在更高壓的工作條件下實現(xiàn)更高的開關頻率仍需要業(yè)界進行摸索。

另外在設計上，寬禁帶器件的驅動特性與傳統(tǒng)硅器件有所不同，在開發(fā)者進行新材料器件集成的時候，做到直接的器件替換并不輕松，需要對整個驅動電路進行相應的改進，做到良好的驅動電路與主晶體管的匹配，才能實現(xiàn)最佳的能效表現(xiàn)。因此很多寬禁帶器件廠商通常也會推出配套的驅動器件，或者是合封的模塊，方便開發(fā)者進行系統(tǒng)集成。但總體而言，要在傳統(tǒng)硅器件應用中進行替換，仍需要開發(fā)者投入一些額外的工作量。

總體而言，作為一種新材料器件，提高可靠性、降低成本、讓開發(fā)者實現(xiàn)更便捷的設計等工作仍需要業(yè)界努力，寬禁帶器件的發(fā)展仍在路上。

ST的SiC和GaN產品布局

ST在寬禁帶器件上的投資布局也是由來已久。在SiC領域ST已經深耕25余年，當前有超過50%的SiCMOSFET市場份額，在汽車領域占比甚至達到了60%，預期到2024年將會達到10億美元的年度盈利。

在產品迭代上ST的SiC器件已經實現(xiàn)了一代、二代和三代SiC產品的量產出貨；第四代的SiC產品預計也將在今年年底通過認證測試，從明年開始推向市場。如下圖所示，Rds(on) x Area和Rds(on) x Qg是SiC器件的重要性能參數(shù)，而ST的SiC器件每次迭代過程中都會實現(xiàn)大約20～25%的改良，從而實現(xiàn)了性能的提升和成本的降低。

為客戶提供廣泛的產品組合，方便客戶挑選更適合的產品解決方案，是ST一直堅持的產品策略。在SiC產品布局上，ST也正在推出不同封裝類型的產品，其中既包括分立封裝的器件，也包括多裸片合封的模塊化產品，例如例如，ACEPACK1-2和 ACEPACK DRIVE，通過平臺化的模塊封裝，來簡化用戶的設計難題。

在GaN電源產品規(guī)劃方面，ST有PowerGaN和MasterGaN兩個產品組合，PowerGaN主要是分立GaN晶體管，而MasterGaN則是驅動和晶體管組成的系統(tǒng)級封裝。除了以上兩個電源方面的產品組合外，ST同樣也在規(guī)劃針對移動基站的GaN PA。

據(jù)Edoardo Merli分享，ST將繼續(xù)推廣PowerGaN 路線圖中輸入電壓從650V開始的G-FET、G-DRIVE和G-HEMT產品，在現(xiàn)有的G-HEMT產品中增加100V產品。氮化鎵產品組合也會進一步擴大，增加導通電阻不同的晶體管產品，此外還會繼續(xù)推廣MasterGaN系統(tǒng)級封裝。像碳化硅產品一樣，氮化鎵產品也提供廣泛的封裝形態(tài)，例如QFN等分立封裝、可以集成電池的新封裝ST LISI等。此外ST也將繼續(xù)研究嵌入式裸片封裝技術，以便進一步提高封裝的集成度。射頻GaN的產品，也預計會在今年年底推出。

保持制勝的戰(zhàn)略：完整制造鏈全盤掌控

保持并擴大在SiC市場上50%的份額，并持續(xù)擴大GaN產品的市場份額，將會是ST在寬禁帶半導體上的重要方向。對此，ST從上下游分別制定了戰(zhàn)略，并且進行雙輪驅動：制造上持續(xù)投資，實現(xiàn)全盤的掌控能力；客戶端進行緊密的應用端合作，共同進行產品定義。客戶端的獲取的大量反饋信息，又回饋到產品的設計、生產制造環(huán)節(jié)進行迭代升級。

“除了技術研發(fā)外，我們還在制定一個完整制造鏈的戰(zhàn)略。這個戰(zhàn)略的重點是讓ST真正擁有功率半導體技術的制造實力。”Edoardo Merli表示，“我們正在投入巨資擴大SiC和GaN的產能，ST非常看好這兩種技術，所以將碳化硅和氮化鎵功率技術寫進公司未來十年總體發(fā)展重大戰(zhàn)略之中。”

完整的制造鏈戰(zhàn)略包括從前道的襯底加工道最后的封裝測試上，在整個制造鏈條上實現(xiàn)具備可控的實力，從而實現(xiàn)產能擴大。碳化硅襯底是制造鏈本身的重要組成部分，對芯片的成本、產量和質量影響很大。對于瑞典 Norstel AB公司（已更名為ST SiC AB）的收購，使ST擁有了前道的碳化硅襯底制造技術，并把這項技術融入其自己的制造鏈中。未來ST的碳化硅產品的部分襯底將會由該工廠提供，部分采購自第三方。

據(jù)Edoardo Merli介紹，第一批晶棒和 8 英寸晶片原型已經在該工廠完成制造，目前正在進行晶片利用率表征分析，讓原型晶片走完全部工序，以便開發(fā)完整的工藝技術，8 英寸晶片預計將會在2024年年底實現(xiàn)量產。瑞典ST SiC AB工廠將被打造成一個綜合性工廠，未來將不僅僅承擔著襯底生長的任務，還要承擔從外延到擴散的其他后續(xù)工序，甚至有可能提供晶元測試。ST在意大利卡塔尼亞和新加坡的兩個主要制造基地，也正在進行生產規(guī)模擴大，從6英寸產線向8英寸產線改造升級。后道的封測主要是在深圳和摩洛哥布斯庫拉兩個工廠完成，后道的產能也同樣會實現(xiàn)一倍的提升。

在GaN方面，同樣也采取類似的產能投資和發(fā)展策略。ST正在與臺積電開展合作，從而將許多內測產品提前向市場發(fā)布，通過臺積電的渠道更好地觸達市場。最終目標是完善ST的內測技術，最終服務于其清晰明確的產品戰(zhàn)略。ST對Power GaN技術的推廣已經在路上，100V到650V各類產品將會陸續(xù)出爐，這些也都會在8英寸生產線上誕生。此外，ST卡塔尼亞也有一條硅基GaN生產線用于氮化鎵PA產品生產，這是為5G和6G基礎設施進行布局。

除了上述完整的制造鏈戰(zhàn)略之外，ST的另一個重要策略是在客戶端：大量的產品搭載提供有價值的反饋信息；與頭部客戶緊密的合作，先行進行新一代產品定義探索。

憑借著超50%市場份額，ST可以獲得大量的產品應用反饋，這也是其區(qū)別于其他廠商的重要護城河。今天有一百多萬輛的汽車在使用基于ST碳化硅解決方案的動力總成，這是一個非常寶貴的信息源，為ST克服前面提到的挑戰(zhàn)，找到很多攻克技術難題的方法，提供了非常有價值的信息。Edoardo Merli表示，產品的采用率越高，收集的反饋信息也就越多，越能了解產品在具體應用中的性能表現(xiàn)，便于ST在后續(xù)提高產品性能、質量和可靠性，還可以利用這些信息定義新產品的特性，滿足不同應用的需求。

與頭部客戶的緊密合作，可以讓產品定義實現(xiàn)領先市場的方向探索。以與雷諾的戰(zhàn)略合作為例，ST緊密與OEM共同開發(fā)符合市場前景的解決方案，然后OEM廠商可以將解決方案交給EMS或一級供應商去進行量產。這種合作可以讓ST真正地定義技術，以最好的方式來實現(xiàn)產品定義。這種與芯片原廠進行緊密合作的方式，已經逐漸成為新的汽車行業(yè)格局的重要趨勢。

總結

ST在SiC上戰(zhàn)略已經完成布局，憑借著完整的生產鏈掌控力和領先的市場份額，將會在雙輪驅動節(jié)奏下進入的快速發(fā)展期。在Power GaN上的產品也將受益于8英寸產線的投資，此外在GaN PA上的探索也將會是非常有趣的產品方向。