隨著全球節能環保意識抬頭，半導體產業開始投入提高產品效率、降低功耗以及減少材料使用的技術開發，加上電動車、再生能源以及各種能源傳輸與轉換系統不斷要求高效率與低耗能設計，使得性能更加優異的碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)等高規格功率元件有了用武之地。
為了實現高效率的能源傳輸與利用，這些高性能功率元件在能源轉換中扮演重要角色。傳統矽基(Si-based)材料由於無法提供較低導通電阻，因而在電力傳輸或轉換時導致大量能量損耗。SiC元件則由於具備高導熱特性，加上材料具有寬能隙特性而能耐高壓與承受大電流，更符合高溫作業應用與高能效利用的要求，在近期持續受到熱切關注。
相較於SiC已發展十多年了，GaN功率元件則才剛進入市場，它是一種擁有類似於SiC性能優勢的寬能隙材料，但擁有更大的成本控制潛力，尤其是高功率的矽基GaN由於具有更大輸出功率與更快作業頻率，已被看好可取代矽元件成為下一世代的功率元件。近年來全球對於都市基礎建設、新能源、節能環保等方面的政策支持，擴大對於SiC/GaN等高性能功率元件的需求，將進一步促進SiC/GaN功率元件的發展。
根據IHS IMS Research的報告顯示，在未來十年，受到電源、太陽光電(PV)逆變器以及工業馬達的需求驅動，新興的SiC和GaN功率半導體市場將以18%的速度穩步成長，預計在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球銷售額將從2012年的1.43億美元大幅增加到28億美元。
2010-2022年全球SiC/GaN功率半導體市場預測
如今，SiC已被普遍視為足以取代矽的可靠技術。大多數功率模組和電源逆變器製造商都將SiC納入技術開發藍圖中，特別是PV逆變器可望成為SiC的最佳應用。Yole Developpement的報告並指出，儘管受到全球經濟不景氣影響，2012年整體電力電子市場低迷，經歷約20%的負成長，但SiC仍維持38%的年成長率。目前全球約有30多家公司擁有SiC元件設計、製造與銷售能力，並進行相關的SiC技術研發。
而隨著GaN功率元件銷售與產品出貨量快速攀升，業界觀察家均看好GaN的市場前景。Yole Developpement在最近的調查報告中指出，“GaN功率市場邁向整合，準備迎向巨大成長。”Yole分析師Philippe Rousel預計，“GaN元件市場可望在2020年達到6億美元的規模，屆時將需要製造58萬片6吋晶圓。此外，GaN市場將於2016年起迅速發展，伴隨電動車(EV)/油電混合車(HEV)將在2018-2019年開始採用GaN，2020年以前估計可實現80%的CAGR成長。”
GaN的潛在應用市場、成長率與上市時程預測
SiC/GaN展現高規格
SiC/GaN功率元件有別於矽元件，是因為這種材料擁有更好的特性，能夠降低導通和切換時的能量損耗。例如，逆變器採用二極體和電晶體作為功率元件，僅採用SiC二極體材料，就能使逆變器的功率損失降低15-30%左右；而如果電晶體材料也由矽換成SiC，則功率損失可減少一半以上。
SiC功率元件可廣泛用於節能、高頻和高溫三大電力電子系統，與傳統的矽功率元件相較，SiC功率元件具有切斷拖尾電流極小、切換速度快、損耗低與耐高溫的特性。採用SiC功率元件開發電力電子變流器，能提高功率密度、縮小裝置體積；提升變流器效率；提高開關頻率，縮小濾波器體積；並可確保在高溫環境下執行的可靠性；同時還易於實現高電壓大功率的設計。隨著SiC元件技術普及，電動車、油電混合車等使用高功率半導體元件的交通工具也開始導入。
ROHM半導體指出，SiC功率元件具有耐高壓、低損耗、高速開關等傳統矽材料元件所沒有的優異特性。如今，對它的期待正以不可估量的態勢高漲。ROHM‘以SiC為核心的功率元件’作為該公司未來50年發展策略之一，致力於SiC功率元件和模組的開發，滿足新的市場需求，並已開始量產。
東芝半導體表示，由於消費者越來越傾向於清潔能源與環境友善型的應用，市場對於高轉換效率的功率元件需求不斷成長。SiC功率元件被視為下一代低損耗的主流高壓功率元件。對於像伺服器電源及太陽能空調等應用，SiC功率元件提供了理想的解決方案。
東芝指出SiC與GaN元件可發揮優勢的應用領域。
進一步降低SiC成本
SiC/GaN功率元件雖然在性能上優於矽元件，但是由於其SiC/GaN材料成本較高，所以難以普及，隨著製程及生產技術進步，其成本已有逐漸下降的趨勢。藉由製程技術進展，業界廠商表示SiC可望逼近矽功率半導體的成本，但事實上，如今二者之間還有一段差距。
宜普電源轉換公司(EPC)亞太區FAE總監鄭正一指出，根據Linley Group的研究資料，先進數位電路的電晶體成本在2012年第一次開始上升，這意味著開發新一代電晶體所需投入的資本正在提高，並可能超過技術帶來的低成本優勢。這是摩爾定律的失效——摩爾定律認為技術可不斷縮小電晶體尺寸，並持續降低成本。
相反地，EPC第四代GaN場效電晶體(eGaN FET)技術則有助於使摩爾定律復甦，這是由於它具有更低導通電阻以及更快的切換速度，因此它的性能得以倍增而成本則可同時繼續下降。更低的導通電阻代表當電晶體作業時可減低功率損耗。而更快的開關速度則意味著工程師可進一步縮小系統並在性能上拋離日益陳舊的功率MOSFET元件。
ROHM指出，相較於已經具有大量採用記錄的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模組的實際應用現在才開始。相較於以往矽基元件，如何在性能差異和成本差異間尋求平衡將成為SiC元件真正普及的關鍵。ROHM針對兩個方面展開技術開發：一、基於SiC晶圓大口徑化，降低SiC元件成本；二、相較於矽元件，開發在性能上具有絕對優勢的新一代SiC元件。此外，ROHM未來將透過擴大普及SiC元件，促進在全球內實現節能和減少CO2的排放。
此外，相較於傳統MOSFET，通道型SiC MOSFET具有顯著的優勢：與原來的平面型相較可輕鬆降低導通電阻。因此，在獲得相同的電流容量時，與平面型相較，通道型需要的晶片面積更小。如果可以減少晶片面積，那麼一片SiC晶圓能夠獲得的晶片數量就會增加，因此能夠提高生產效率，以及有助於削減成本。ROHM已經投產通道型SiC MOSFET，計劃從2014年秋季開始陸續出樣供貨。
GaN元件突破技術障礙
SiC/GaN功率元件雖然備受矚目，但是目前的發展仍處於初期階段，進入主流市場還需要一段較長的時間，但廠商們正不遺餘力地提升產品性能以及性價比，業界近期推出的元件也較先前的產品有了很大的提升。
鄭正一指出，新一代GaN元件正從以下幾方面突破技術障礙：
‧具備更低導通電阻：由於全新GaN FET系列可降低一半導通電阻，因此可支援大電流、高功率密度應用。
‧進一步改善品質因子(FOM)：最新一代GaN FET較上代元件降低一半的硬開關FOM，因此在高頻功率轉換應用可進一步提高開關性能。
‧更寬廣的電壓範圍：由於受惠於採用GaN FET擴展至30V的應用，因此可支援更高功率的DC-DC轉換器、POL轉換器以及隔離型電源供電、電腦與伺服器內的同步整流器等更多應用。
‧更優越的散熱性能：新一代GaN FET系列產品在溫度方面具備增強性能並配備更優越的晶片佈局，因而改善了散熱及電學性能，使得GaN FET在任何條件下都能更高功率地工作。
EPC的GaN功率元件至今已發展至第四代，鄭正一表示，最新一代GaN FET更為業界提高了電源轉換的性能基準。由於全新第四代GaN元件系列在主要開關品質因子方面取得重大增益，因此在性能上可進一步拋離日益陳舊的功率MOSFET元件。
與矽基MOSFET元件相較，第四代GaN元件除了實現更低FOMHS與FOMSS值外，EPC配合使用改進的元件封裝以及具有低寄生電感的PCB佈局，使得在硬開關以及軟開關應用採用具有高功率密度的GaN FET轉換器的高頻性能得以大幅提升。
增強型GaN FET的應用範例包括取得超過93.5%效率的12V轉至1.2V、50A、開關頻率為500kHz的負載點(POL)轉換器，以及取得超過98%效率的48V轉至12V、30A、開關頻率為300kHz的非隔離型DC-DC中間匯流排轉換器。
這些元件在特定應用領域可發揮極大的作用。他補充說，這些由30V至200V的電晶體在很多應用可大幅降低導通電阻，並可增強輸出電流性能，例如具高功率密度的DC-DC轉換器、POL轉換器、DC-DC與AC-DC轉換器的同步整流器、馬達驅動器、發光二極體照明及工業自動化等廣泛應用，使得GaN技術進一步邁向目標市場，並在潛力無窮的120億美元電晶體市場、300億美元電源管理元件市場、400億美元類比晶片市場以至於3,000億美元的半導體市場取得更大的佔有率。
功率半導體市場吹整併風
此外，功率半導體產業最近還吹起了整併風潮，同樣著眼於GaN的未來發展前景。為了進一步提高在功率半導體市場的主導地位，英飛凌科技(Infineon Technologies)日前以30億美元現金大手筆收購已經自立自強了35年的美商國際整流器公司(International Rectifier；IR)，此舉被形容為該公司前所未有的最大收購行動，而其主要的目的也在於取得GaN技術並。透過這項收購行動，英飛凌得以重新定位該公司為一家囊括基於矽、SiC與GaN功率元件與IC市場的更大規模跨國電源元件供應商。
英飛凌已在功率半導體領域建立起強大的業務版圖，特別是600V與1,200V等高電壓元件以及1,800V電網，市調公司Gartner研究總監Stephan Ohr 表示，“英飛凌一直看好在太陽能與風力等替代能源轉換領域，但這畢竟仍是利基型的市場。如今，英飛凌可藉由收購擴大產品組合，為專用於智慧建築與智慧城市計劃提供最大量的高電壓元件。”
根據英飛凌表示，透過結合IR的低電壓、低功耗晶片，可進一步擴展英飛凌的高電壓、高功率半導體產品版圖，從而促進該公司在功率半導體領域的進展。例如，英飛淩擅長1kV以上的IGBT晶片以及採用IGBT功率模組等應用的高功率半導體，瞄準汽車、鐵路、PV發電、風力發電以及工業設備等用途；而IR則專注於提供1kV以下的功率半導體，包括低電壓IGBT、小型IPM、DC-DC轉換器等MCM元件，適用於白色家電與AV設備等。此外， 藉由收購也將可望提高英飛凌Dresden晶圓廠為自家功率半導體生產300mm薄晶圓的產能利用率。
英飛凌和IR都擁有DC-DC業務，但IR在負戴點(POL)領域提供了更好的補強。英飛凌科技執行長Reinhard Ploss表示，IR擁有強大的“多晶片封裝技術，”可用於生產英飛凌的高電壓系統級封裝(SiP)解決方案。他預期IR的技術將推動英飛凌的功率模組性能進展，“我們也期待著利用氮化鎵，”PLOSS說。
對於英飛凌來說，此次收購還將有助於縮小矽基GaN技術差距。針對新一代功率元件領域，雙方技術也甚少重疊──英飛凌致力於研發SiC，而IR則專注於GaN技術，而且兩家公司分別在SiC/GaN領域佔主導地位。英飛凌在2001年首先推出SiC二極體，IR則於2010年領先投產搭載GaN功率元件的MCM。藉由收購取得IR先進的GaN功率元件製造技術，將有助於使英飛凌加速並鞏固該公司在GaN獨立元件與GaN系統解決方案的地位，並進一步跨足涵蓋SiC與GaN材料以及從低功率到高功率元件的廣泛應用。
儘管目前的供電系統、電力機車、工廠生產設備、PV發電系統的功率調節器、空調與白色家電、伺服器與PC等許多領域仍採用矽晶二極體、MOSFET或IGBT等電晶體作為功率元件。然而，隨著SiC正逐漸普及於馬達、PV逆變器與空調等電力轉換應用，各種安全工程、鐵路、資訊技術、新能源、節能設備與城市基礎設備計劃的巨大需求出現，加上電力公司、汽車製造商與電子廠商的期待，SiC與GaN等功率半導體可望進一步迎來材料的更新換代。
資料來源:電子工程專輯
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