化合物半导体是提高电力利用效率、降低电池制造能耗、具有集成储能的光伏系统的推动力

　　随着人们将注意力转移到全球各地骇人听闻的冲突上，如今应对气候变化受到的媒体关注越来越少，这是可以理解的。但是，减少碳足迹并控制全球变暖的必要性仍然至关重要，并在今年的CS International上得到了应有的重视。

　　4月16日和17日，此次会议于布鲁塞尔举行，会上许多发言人详细介绍了为简化生产并提高高能效宽禁带器件的产量所做的努力，其他发言人则概述了光电器件如何在应对气候变化上发挥作用。

　　提高全球电气化程度、提高可再生能源发电形式的采用率、提高电气效率都能在减排方面取得重大进展。全球约有一半的电能用于驱动电机，而且这一比例还在不断增加。国际能源机构称，存在一个提高效率的巨大机会：机构表示，如果能源在电机中得到更有效的利用，那么就可节省约25%的全球用电量，而提高带隙较宽器件的采用率有助于实现这一目标。

　　全球SiC及GaN功率器件的产量增长为这一努力提供了帮助，由于许多制造商在努力提高产能，该趋势还将继续。其中就有意法半导体，其研究员兼研发设计总监Mario Saggio在CS International上概述了意法半导体的扩张计划。

　　Mario Saggio赞美了SiC的“杰出特性”，认为SiC器件的成本虽然高于硅器件，但在应用层面上SiC器件仍能节约成本。

　　意法半导体是SiC行业的老牌企业。早在25年前，该公司就开始投资SiC，去年SiC器件的销售额达到11.4亿美元。据Mario Saggio称，意法半导体在SiC MOSFET市场占据主导地位，份额超过50%。

　　意法半导体是功率行业的全球企业，拥有令人难以置信的垂直整合程度，整合范围从原材料延伸到SiC产品的设计和制造。该公司在瑞典北雪平（Norrköping）有一家SiC衬底工厂，主要制造150 mm衬底，并生产具有工业级质量和产量的200 mm衬底；在意大利卡塔尼亚（Catania）有一家新的综合工厂，以150 mm衬底生产器件。卡塔尼亚工厂今年开始试生产，其重大计划包括2024年实现量产、转而以200 mm晶圆进行制造、新增700名员工。

　　意法半导体继续发展其SiC平面MOSFET技术。2017年，其推出第二代器件，随后推出的第三代和第四代器件得益于缩小的JFET和改进的外延，之后又优化了边缘并额外改进了外延。意法半导体目前正在开发的第五代SiC MOSFET将受益于接触尺寸的缩小。

　　将第二代MOSFET与开发中的MOSFET相比，650 V MOSFET和1200 V MOSFET的比导通电阻分别降低了近40%和50%。Mario Saggio表示，目前正在考虑引入超结设计，以实现额外改进，进一步节能。

　　另一家对SiC有重大计划的公司是三安半导体，该公司是中国最大的LED芯片和外延片生产商。

　　宽禁带创新和应用工程总监Ajay Poonjal Pai代表三安半导体发言，他告诉与会代表，三安于2014年开始开发SiC技术，现已成为中国首家垂直整合的SiC器件制造商。该公司控制着从SiC晶体生长到功率器件封装的整个供应链。

　　在23亿美元投资的支持下，三安正在建设一个晶圆厂，Ajay Poonjal Pai将其称为最先进的超级晶圆厂。一期工程现已完工，晶圆年产量将增至200,000片。完成进一步工作后，晶圆年产量预计增至500,000片。目前生产的是150 mm SiC，但今年年底前该公司将转而生产200 mm晶圆。

　　三安凭借二极管进军SiC功率器件市场，且2022年的出货量超过1亿。在其第三代二极管的基础上，三安最近又推出了主打低正向电压的第四代二极管，以及具有高浪涌电流能力的第五代二极管。

　　今年晚些时候，三安将推出其首个SiC MOSFET系列。这一车规级产品组合将提供650 V、1200 V、1700 V的阻断电压。

　　为了达成这一数值，Pranjal Srivastava及其同事比较了采用硅IGBT设计（工作频率为20 kHz，功率密度为3.5 kW/升）和SiC MOSFET设计（工作频率为45 kHz，功率密度超过4.6 kW/升）的功率因数校正装置的效率。该装置使用带隙更宽的器件时，可将峰值效率从97.2%提高到98.5%。此外，研究团队还考虑了逆变器性能的增益，其中SiC可使效率提高1.1%。

　　两项合计，效率增益总共为2.4%，相当于600瓦。Pranjal Srivastava计算得出，基于德国目前的电费，并假设该电机连续运行约15年，可节省7000多欧元的费用。

　　虽然SiC在CS International上吸引了最多报道，但从长远来看，可以认为GaN的前景至少与SiC同样广阔。

　　Omdia市场分析师Richard Eden对这两种技术都进行了报道。他解释道，他对GaN市场的预测越来越乐观。早在2020年，他就预测2029年GaN市场价值可达到15亿美元左右，而在2021年和2023年，他又将数值分别修订为略高于20亿美元和略高于30亿美元。

　　到本十年末，这些销售额将来自哪些应用领域？Richard Eden预计应用范围会很广，电源、电动汽车和一些工业应用都有机会。他详细介绍道，GaN将在电信电源领域赢得销售额，如手机和蜂窝基站使用的电源，以及电视、消费音频、数据中心、人工智能服务器使用的电源。在电动汽车领域，Richard Eden发现了利基动力系统的机遇，例如涉及96 V电池和48 V轻度混合动力汽车以及车载充电器的动力系统。GaN还可应用于无人送货机、机器人割草机、吸尘器等的电机驱动器，以及手术机器人的电动工具和精密电机。

　　Richard Eden预计，GaN的惊人增长将从今年不到10亿美元的基数攀升至2032年的60多亿美元，如果QPT对市场产生影响，这一增长可能会更快。QPT首席执行官Rupert Baines认为，他的公司正在提供革命性技术，将使GaN不再局限于低功率和软开关。他指出，更快的开关速度可以节省更多能源，因此他倡导未来将千瓦功率与千兆赫开关频率相结合。

　　Rupert Baines认为，QPT的技术可以为电机节省至少5%的能源。这相当于每年减少全球二氧化碳排放量4亿吨，每年减少电费支出660亿美元。

　　更大程度的电气化会带来两个后果，一是对电池的需求增加，二是必要时需要供应更多电能。化合物半导体在这两方面都能发挥作用，相关机遇已在CS International上概述。

　　生产电池是一个能源密集型过程，其中47%的能源用于干燥涂在金属箔上的又厚又湿的含锂浆料。干燥这类浆料的现有方法是在60米长的烤箱中进行对流。

　　Trumpf Photonics首席技术官Roman Koerner介绍说，一种可行的替代方法是使用巨大的VCSEL阵列。他解释道，这样就可以将用于电池制造的加热系统缩小到10米长，同时提高效率。据Roman Koerner称，现有工艺的效率为10%—20%，而激光干燥的效率超过40%。

　　在生产可再生能源方面，聚光光伏大有可为。在全球信贷紧缩时期，硅电池板的价格大幅下跌，阻碍了第一代先驱者的成功，但十多年后的今天，由于澳大利亚RayGen的重要创新，这项技术正在重新崛起。战略项目负责人Kira Rundel详细介绍了该公司对聚光光伏采用的新方法，并解释说，成功的关键在于在需要的时候供能，而不仅仅是在阳光普照的时候。要想实现这一目标，就要将发电与热能结合起来，后者来自电池的冷却水，用于加热热能储存器。需要时，热能储存器可通过涡轮机发电。目前，已利用这项技术建成一个4 MW的发电厂，更大的项目也在筹备中。

　　RayGen、Trumpf等公司，以及宽禁带功率器件生产商将因其化合物半导体器件实现了地球环保而获得赞誉，但他们需要强大供应链的支持。这些公司在CS International上也大显身手，外延生长及计量系统制造商通过会议演讲和展厅讨论向与会代表介绍了最新情况，其中展厅共容纳约80家赞助商。