ST：减碳！宽禁带半导体迎来商用热潮

电源与能源管理对人类社会未来的可持续发展变得越来越关键。一项对全球电力消耗状况的统计显示，仅在工业领域，如果能将电力利用效率提升1%，就能节约95.6亿千瓦时的能源。这个数字意味着，相当于节约了15个核电站的发电量、减排3200万吨二氧化碳，或是数千桶的石油。数字很惊人是不是？电力利用效率的提升居然能达到如此可观的节能效果。

全球都在聚焦重点行业的能效问题，例如汽车、工业等领域。许多国家和地区都在大力推进电动车的发展，在电动汽车的市场份额方面，美国计划2030年达到50%，欧洲计划2030年达到37.5%，中国电动车市场体量目前已经是世界第一，计划在2025年达到30%。具体到地区和城市方面，美国加州目标是到2035年，所有上市新车和客车必须实现零排放；英国从2030年起不再销售汽油和柴油车，到2035年，只有100%零排放汽车才能上市销售；中国则要求汽车制造商到2030年电动汽车占总销量的40%。

当然，设立远景目标的不只有国家和地区，汽车制造商也在宣布自己雄心勃勃的目标。对于汽车制造来说，电动车采用电机作为动力来源既是一项重大变革，也意味着需要一整套全新的动能系统的引入。这套系统不会产生二氧化碳排放，有着更高的功率，能够在更低的气温下运行，车身重量也能够得到降低。这让整个汽车制造业发生了动荡，也为许多跨界从业者带来了入局机会。中国目前就有100 多家OEM正在开发电动和混动汽车，例如比亚迪，以及理想、小鹏、蔚来等新秀，市场一片生机盎然的景象。

宽禁带半导体VS. 传统硅基MOSFET和IGBT

在实现高效能、节能降耗的过程中，电力科技一直都起着关键作用，而未来的重点方向之一就是新材料的运用，例如宽禁带半导体材料SiC和GaN。

从电力转换链的能效角度来看，从发电侧开始，经过输配电、储电和变流，再到最终的用电侧、即终端用户，三大核心要点就是改善能效、功率密度、系统成本，这就仰赖于现有硅技术的继续优化、封装创新，以及宽禁带技术的突破。

与传统硅基MOSFET和IGBT相比，宽禁带半导体为功率晶体管市场带来了更多优势。SiC和GaN拥有工作电压高、开关速度快、工作温度高、导通电阻低等特性，因此产生热量少、耗散功率低、能效高，节能效果非常出色。

由材料本身的属性特点所决定，SiC和GaN能够用于更高级别的电力科技应用，这在过去用硅材料是无法实现的，它们能够实现更简单、高效的拓扑，在能效提升、物料成本降低方面发挥突出作用。

ST在宽禁带半导体领域投入较早，特别是在SiC MOSFET方面，2017年已经实现了大规模量产，目前市场份额达到50%，在汽车领域占比甚至达到60%。

据ST汽车和分立器件产品部副总裁、功率晶体管事业部总经理Edoardo Merli介绍，在汽车的电动化过程中，功率半导体越来越受重视。动力总成市场方面，IGBT、硅基MOSFET、SiC MOSFET将在汽车市场共同驱动发展。全新的电能技术在2020年仅占40%，但是2025年将超过50%，碳化硅占其中的1/4，相比2020年有巨大提升。在动力电机逆变器应用中，SiC MOSFET比IGBT更有优势，包括总芯片面积、开关损耗、总损耗和结温，以及更好的温度管理、充电速度的明显提升等。

以一个10 kHz 210 kW 的动力电机逆变器为例，对比1200V SiC MOSFET和IGBT可以看出，SiC MOSFET有明显的效率优势，而这些性能也会转化为更长的行驶里程。

据了解，ST的SiC MOSFET产品两大核心优势是：导通电阻 (Ron) x 裸片面积和 Ron x 栅极电荷 (Qg)，通过每次技术的迭代，都会得到大约20%-25%的改良幅度，这会带来进一步的性能提升和成本降低。

Edoardo Merli进一步解释说，FoM [导通电阻 (Ron) x 裸片面积和 Ron x 栅极电荷 (Qg)]算法表示晶体管能效、功率密度和开关性能。用普通硅技术改善 FoM 变得越来越困难，而SiC 技术是进一步改进FoM的关键。

随着电动汽车市场加速发展，许多整车厂商和配套供应商都在采用 800V驱动系统，以加快充电速度，减轻电动汽车重量。ST的新一代SiC 器件专门为这些应用需求进行了设计优化，包括电动汽车动力电机逆变器、车载充电机、DC/DC变换器和电子空调压缩机。新一代产品还适合工业应用，可提高驱动电机、可再生能源转换器和储能系统、电信电源、数据中心电源等应用的能效。

SiC功率半导体行业和供应链面临的挑战

Edoardo Merli强调，对于SiC这样的新兴技术来说，掌控甚至拥有一整套自己的产业链是非常重要的，ST为此做了大量工作。目前已经通过收购Norstel AB（已更名为ST SiC AB）完成生产线的建设。此外，ST在SiC衬底布局方面，已设立多家工厂，不断扩展规模，进一步整合生产链条，来提高制造能力。意大利卡塔尼亚作为布局的重点基地之一，使ST的生产能力得到了大幅度提升，在新加坡的生产线规模也实现了翻倍，目前正准备实现从6英寸到8英寸的改造。此外，还有在摩洛哥布斯库拉和中国深圳的基地作为后端工厂，其中深圳是主要的封装工厂，为领先企业提供规模化的封装服务。

半导体的规模经济效益显著，宽禁带半导体的发展也不例外。去年7月，ST已经制造出首批200mm SiC晶圆，可以说这是一个里程碑事件，标志着产能的进一步扩大，降低了总拥有成本。随着产量扩大，提升规模经济效益，也将进一步推进发展应用，有利于积累深厚的专业知识、提高制造灵活性，更有效地控制晶圆片的良率和质量改进。

Edoardo Merli坦言，SiC技术目前仍处于雏形阶段，仍然有许多领域需要进一步探索和改良。首先是晶圆原材料的高成本，其次是外延成本，这涉及到整个生产链条的各个环节，需要未来持续开展更多工作来解决。这也是ST将外延层纳入自身产业链的原因之一，不只是为了控制成本和体量，也是为了提高产品质量，目前计划在外延工厂引入自动化技术优化生产流程，从而提升生产制造的灵活性，以满足市场需求。通过结合芯片和封装两个层面的不断创新，ST预计SiC营收将在2024年达到 10 亿美元。

GaN——功率转换硅片重要的硅替代品

目前汽车制造和工业界已经将SiC的应用提上日程，GaN的大规模普及可能会相对晚些，但已有非常广泛的应用范围。

GaN的电压耐受能力比传统硅材料高很多，而且不会影响导通电阻性能，因此可以降低导通损耗。此外，GaN产品的开关能效也比硅基晶体管高，从而可以取得非常低的开关损耗。开关频率更高意味着应用电路可以采用尺寸更小的无源器件。所有这些优点让设计人员能够减少功率变换器的总损耗（减少热量），提高能效。 因此，GaN 能更好地支持电子产品轻量化，举例来说，与目前随处常见的充电器相比，采用GaN 晶体管的PC机电源适配器更小、更轻。

Edoardo Merli表示，基于 GaN 的产品商用是功率半导体的下一个攻坚阶段，用于显著降低各种电子产品的能耗和尺寸，目标应用包括：消费类电子产品的内置电源，例如，充电器、PC机外部电源适配器、LED 照明驱动器、电视机等家电；以及功率更高的电信电源、工业驱动电机、太阳能逆变器、电动汽车及充电设施等。

目前，ST的首款PowerGaN系列产品已投产，其GaN技术目前主要有两大方向：一是D-Mode，应用于G-FET、Gascode变流器；另一项是G-Drive，整合于同样的应用中，目前已经推向市场。

据了解，ST的100V~650V各类GaN产品将会陆续在其8英寸生产线上诞生，在卡塔尼亚的一条GaN-on-Si RF生产线就用于GaN应用，大部分为5G和6G基础设施布局。

深耕多年，还面临哪些挑战？

ST是业内较早布局宽禁带半导体的厂商，特别是SiC领域，率先在汽车市场进行了推广使用。据了解，目前已有超过100万辆汽车搭载了基于其SiC解决方案的动力总成系统。

Edoardo Merli表示，虽然入局较早，但SiC毕竟是全新技术，还未经过市场检验，电动汽车实际上也是新概念。因此，仍在与电动车企合作，研究SiC的缺陷、性能，以及在实际应用中可能遇到的潜在可靠性问题，然后寻找可靠性改进方法。例如，ST已经针对应用特性制定了晶圆筛查或应力测试方法，以及不合格产品的识别方法，然后将根据特定用例不断改进技术。

此外，继续优化产品成本也是一大挑战。ST还在努力提高衬底质量，从材料质量抓起，进一步提高产品质量，提升整个制造链的缺陷控制能力，并在应用层面提高产品质量和可靠性。通过这些举措与技术改进，实现更大规模的量产和广泛应用。

他同时补充，在GaN方面，全面提高可靠性，把制造成本降到预期水平，是当前需要克服的挑战。ST将持续不断在新技术和生产线改良方面进行投入，以便应对未来海量的、不断增长的市场需求。

ST还宣布了2027年实现碳中和的目标，届时，将100%采购可再生能源发电，通过合作计划和合作伙伴关系等推进在整个生态系统内实现碳中和目标。