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2022-03-17 08:55:15 5

超越摩爾定律，第三代半導體材料技術迎來高光時刻

進入 21 世紀以來，人工智能、5G、自動駕駛等新應用的興起，對芯片性能提出了更高的要求，同時也推動了半導體制造工藝和新材料不斷創新。作為有可能超越摩爾定律的第三代半導體材料技術，迎來了它們的高光時刻。

第三代半導體材料又稱寬帶隙材料(Wide Bandgap Semiconductors)，是那些帶隙寬度較大（Eg≥2.3 eV）的半導體材料，主流的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以及非主流的氧化鋅（ZnO）、金剛石和氮化鋁（AlN）是第三代半導體技術的主要代表。與*代和第二代半導體材料相比，第三代半導體除能隙較寬外，擊穿場強、導熱率、電子飽和速率和抗輻射性也很*。它們在制造高溫、高頻、抗輻射及大功率器件方面有優勢，能夠滿足對更高能效能量轉換系統的迫切需求。根據Omdia的《2020年SiC和GaN功率半導體報告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半導體的銷售收入預計達8.54億美元。未來十年將達年均兩位數增長率，到2029年將超過50億美元。

電動汽車、5G、大數據等諸多新型應用給半導體材料帶來發展契機。在耗電量大的數據中心、各種各樣的充電器、即將取代內燃機的電動汽車的牽引電機變頻器等應用中，能效的提高都會減少石油、煤炭等傳統能源消耗產生的二氧化碳。新材料還推進了再生能源的大規模應用，例如，寬禁帶功率半導體可以讓太陽能和風力發電的效率更高。

另一方面，隨著基于 5G 的物聯網（IoT）部署應用，萬物互聯網大規模普及，數十億的用戶、機器和設備能夠實時共享大量的數據、高分辨率圖像和高清視頻流，遠程手術、自動駕駛汽車、無人機送貨和許多其他具有挑戰性的應用將從概念變為現實。除了受益于人工智能（AI）和機器學習外，這些發展成果也離不開處理性能更高、帶寬更高和延遲短的新材料。

引領創新，ST積極布局第三代半導體技術應用

20 世紀 90 年代初，ST從 2 吋晶圓開始一直在開發和推出 SiC MOSFET 晶體管和二極管，經過多年長期投資，ST 獲得了相關核心制造工藝的關鍵專利。無論是在外延層、邊緣端接設計，還是柵極氧化層等方面，ST 的高壓晶體管和二極管制造專長對于幫助 ST率先成功開發SiC來說，功不可沒。如今 ST 已借勢發展成為新興電動汽車（EV）行業的重要 SiC 供應商。ST 的 SiC 產品主要用于電動汽車車載充電、主逆變器、DC-DC變頻器以及工業驅動、光伏等應用中。同時， ST仍致力于開發適用于 5G 基站和通信塔、功率開關、消費電子和工業充電器和電源適配器等應用的GaN器件。目前硅襯底GaN射頻產品正在設計中，這將使ST能夠最大程度地擴大產品組合。
在SiC MOSFET方面，ST正在建立一個穩定的供應鏈：對瑞典Norstel AB的成功并購完成了一次完全垂直的供應鏈整合，與Cree、SiCrystal簽署長期晶圓供貨協議，同時也不斷擴大自有產能。如今，ST正將在SiC方面的成功延續到GaN領域，積極與產業鏈上下游開展一系列合作：收購氮化鎵創新企業Exagan的多數股權，采用臺積電*業界的GaN制造工藝，和Leti合作開發硅基氮化鎵功率轉換技術，與MACOM攜手合作提高硅基GaN產能，等等。 ST masterGaN®平臺問世：開啟更小、更輕、更快GaN充電時代

電源小型化趨勢已經持續了幾十年，預計將會繼續賦能新的市場應用。此外，提高功率密度是提高能效的關鍵，也是設計人員非常看重的一個參數指標。然而，如何實現更緊湊、更高效的電源解決方案，仍存在主要的技術限制。
GaN高電子遷移率晶體管技術作為一場新的創新浪潮，正在徹底改變電力工程*。GaN功率FET晶體管突破了普通硅基電力解決方案的性能限制，能夠實現硅基MOSFET從未達到的高速、高效和更高功率密度，并賦能新的應用市場。作為功率轉換市場數十載的領導者和先驅，ST利用其無與倫比的技術經驗和系統專業知識，搭乘這一次新的創新浪潮，不斷推出新產品和解決方案，覆蓋更廣闊的市場應用。
近日，ST推出**集成硅基半橋驅動芯片和一對GaN晶體管的產品平臺masterGaN®。該集成化解決方案將有助于加快下一代400W以下輕便節能的、用于消費電子和工業領域的充電器和電源適配器的開發速度。
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GaN技術使電子設備能夠處理更大功率，同時設備本身變得更小、更輕、更節能，這些改進將會改變用于智能手機的超快充電器和無線充電器、用于PC和游戲機的USB-PD緊湊型適配器，以及太陽能儲電系統、不間斷電源或高端OLED電視機和云服務器等工業應用。
在當今的GaN市場上，通常采用分立功率晶體管和驅動IC的方案，這要求設計人員必須學習如何讓它們協同工作，實現最佳性能。意法半導體的masterGaN方案繞過了這一挑戰，縮短了產品上市時間，并能獲得預期的性能，同時使封裝變得更小、更簡單，電路組件更少，系統可靠性更高。憑借GaN技術和意法半導體集成產品的優勢，采用新產品的充電器和適配器比普通硅基解決方案縮減尺寸80％，減重70％, 充電速度提高2倍。
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masterGaN產品平臺獨特優勢

意法半導體執行副總裁、模擬產品分部總經理Matteo Lo Presti表示：“ST獨有的masterGaN產品平臺是基于我們的經過市場檢驗的專業知識和設計能力，整合高壓智能功率BCD工藝與GaN技術而成，能夠加快節省空間、高能效的環境友好型產品的開發。”

masterGaN1是意法半導體masterGaN平臺的*產品，集成兩個半橋配置的GaN功率晶體管和高低邊驅動芯片。masterGaN1采用9mm x 9mm GQFN封裝，厚度只有1mm，現已量產。此外，意法半導體還提供一個產品評估板，幫助客戶快速啟動電源產品項目。

免責聲明：本文轉載自“意法半導體中國”，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。

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