無畏氮化鎵角逐中功率市場(chǎng)　碳化硅功率元件/模組商機(jī)涌現(xiàn)

　　有鑒于全球環(huán)保意識(shí)抬頭，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)兩種功率轉(zhuǎn)換材料備受矚目。其中，碳化矽掌握早期開發(fā)優(yōu)勢(shì)，其功率模組在再生能源與車用電子領(lǐng)域，商機(jī)已紛紛涌現(xiàn)。而主要鎖定低功率市場(chǎng)的氮化鎵，則將緩步進(jìn)軍中功率市場(chǎng)。

　　可以彌補(bǔ)天然能源不足缺口的再生能源設(shè)備，為聚焦于中功率、高功率應(yīng)用的碳化矽創(chuàng)造大量需求。另一方面，近期豐田汽車(Toyota)在電動(dòng)車中導(dǎo)入碳化矽(SiC)元件的測(cè)試結(jié)果也已出爐，其在改善能源效率、縮小電源控制系統(tǒng)(PCU)尺寸上的效果，明顯勝過矽元件。

　　臺(tái)達(dá)電技術(shù)長(zhǎng)暨總經(jīng)理張育銘表示，以前電力電子的廠商其實(shí)不多，不過近期隨著碳化矽、氮化鎵的半導(dǎo)體元件越來越多，這部分的市場(chǎng)是值得期待的。另外，若以功率設(shè)備來看，傳統(tǒng)的火力發(fā)電、核能發(fā)電所用的電力電子比較少，不過新興再生能源就不同了，風(fēng)力電發(fā)電中的電力轉(zhuǎn)換器扮演相當(dāng)重要的角色，而太陽能發(fā)電的光伏逆變器(PVInverter)，所占比重也很重。

　　并購Wolfspeed英飛凌強(qiáng)化碳化矽事業(yè)

　　主要受益于碳化矽技術(shù)的領(lǐng)域除了再生能源，還有車用電子。在此趨勢(shì)的推波助瀾下，功率半導(dǎo)體供應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)廠商英飛凌(Infineon)，今年7月以8.5億美元大舉并購Cree旗下的Wolfspeed功率與射頻(RF)部門，并且明確表示，碳化矽晶片未來將逐漸與矽晶片并駕齊驅(qū)，尤其是在電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)上。

　　Wolfspeed是SiC功率及GaN-on-SiC射頻功率解決方案的主要供應(yīng)商，其核心能力包括碳化矽晶圓基板制造以及射頻功率應(yīng)用的碳化矽單晶氮化鎵層，英飛凌計(jì)畫在2016年底前完成這項(xiàng)交易，藉以協(xié)助英飛凌擴(kuò)大在物聯(lián)網(wǎng)、電動(dòng)車以及再生能源等全球快速成長(zhǎng)市場(chǎng)領(lǐng)域的布局。

　　然而，豐田汽車(Toyota)也隨之在測(cè)試結(jié)果中證明，在電動(dòng)車中導(dǎo)入碳化矽，表現(xiàn)明顯勝過于矽元件。Toyota專案總經(jīng)理濱田公守表示，為達(dá)成“豐田環(huán)境挑戰(zhàn)2050”的目標(biāo)，豐田積極發(fā)展下世代車用功率半導(dǎo)體。近年來豐田開始嘗試在電動(dòng)車中導(dǎo)入碳化矽MOSFET、碳化矽JBS二極體，并于2015年2月開始進(jìn)行實(shí)車路測(cè)。

　　濱田公守進(jìn)一步指出，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳化矽元件可改善能源效率的關(guān)鍵技術(shù)，其表現(xiàn)明顯勝過于矽元件。在采用碳化矽的電源控制系統(tǒng)中，具備更高頻率的控制，且功率模組、線圈、電容器的尺寸也明顯縮小。不過同時(shí)，他也表示，未來并不排除采用氮化鎵作為提升燃料效率的功率半導(dǎo)體。

　　不僅如此，羅姆(ROHM)也于日前宣布與Venturi電動(dòng)方程式賽車車隊(duì)(VenturiFormulaETeam)，締結(jié)為期3年的技術(shù)夥伴契約，該車隊(duì)長(zhǎng)期參與FIA電動(dòng)方程式賽車錦標(biāo)賽。自10月9日開幕的第3季起，羅姆將提供碳化矽(SiC)功率元件，運(yùn)用在賽車馬力核心的變流器中，協(xié)助賽車小型化、輕量化和高效率化。

　　該公司于2010年開始量產(chǎn)SiCMOSFET，并持續(xù)研發(fā)先進(jìn)元件。汽車領(lǐng)域方面，急速充電用的車用充電器，獲得相當(dāng)高的市占率，碳化矽使用在電動(dòng)汽車(EV)馬達(dá)和變流器也迅速普及。

　　和傳統(tǒng)賽車不同之處在于，電動(dòng)方程式賽車的管理電力能力非常重要，如何有效率地活用電池儲(chǔ)備的電力，左右了賽事的勝敗。

　　VenturiFormulaETeam技術(shù)長(zhǎng)FranckBaldet表示，電動(dòng)方程式賽車的本質(zhì)就是管理電力。能與羅姆締結(jié)合作關(guān)系，將能夠帶動(dòng)賽車的整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)化，進(jìn)一步提升馬達(dá)的速度。

　　ROHM離散式元件制造本部兼模組制造本部董物東克己表示，非常期待日后能在跑道上證明我們公司產(chǎn)品的品質(zhì)和效率。近期SiC功率元件，可望進(jìn)一步活躍于油電混合車和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。羅姆希望能對(duì)多種產(chǎn)業(yè)、社會(huì)更多領(lǐng)域，提供更具經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)，并在轉(zhuǎn)換能源政策上位居重要的地位。

　　分立元件方便性不足功率模組聲勢(shì)看漲

　　針對(duì)碳化矽將大幅增強(qiáng)對(duì)功率模組(PowerModule)需求的部分，張育銘表示，采用功率模組的原因在于，如果使用分立元件(Discrete)的話，工程師就必須自行并聯(lián)，得考量到IGBT、MOSFET參數(shù)是否一致，對(duì)設(shè)計(jì)公司來講，是不切實(shí)際的，因此須要模組廠商來解決這個(gè)問題。

　　碳化矽是一種特別的多晶體材料，常見的有4H-SiC、6H-SiC、15R和3C，碳和矽的比都是1：1，但是在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以形成200多種晶體結(jié)構(gòu)，其中4H最適合用來做垂直型功率元件，而里面最穩(wěn)的就是3C結(jié)構(gòu)，再搭配斜切角度的基板(Substrate)，來進(jìn)行晶圓的外延伸長(zhǎng)。

　　談到目前碳化矽晶圓的市場(chǎng)情形，Epiworld總經(jīng)理馮淦表示，現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的是4寸晶圓，而6寸的市場(chǎng)需求量也越來越高，不過從4寸到6寸的轉(zhuǎn)變并沒有預(yù)期的快，雖然6寸的價(jià)格成本更有優(yōu)勢(shì)，但主要問題在于6寸碳化矽的外延材料品質(zhì)，還無法達(dá)到一定水準(zhǔn)。他認(rèn)為，在2～3年內(nèi)，4寸的商機(jī)仍是可期的。除了碳化矽元件備受矚目，擁有中、低功率應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的氮化鎵(GaN)元件也緊追在后。

　　YoleDeveloppement功率電子暨化合物半導(dǎo)體事業(yè)單位經(jīng)理PierricGUEGUEN表示，由于對(duì)熱管理和接面溫度技術(shù)革新的高度需求，功率電子著實(shí)已成為材料創(chuàng)新應(yīng)用的新興領(lǐng)域，其中的碳化矽與氮化鎵正在徹底改變整體的供應(yīng)鏈與封裝結(jié)構(gòu)。

　　PierricGueguen認(rèn)為，碳化矽主要適用于600V以上的高功率應(yīng)用，氮化鎵則適用于200～600V中功率應(yīng)用。不過根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，到了2020年，氮化鎵將進(jìn)一步往600～900V發(fā)展，屆時(shí)勢(shì)必會(huì)開始與碳化矽產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

　　2020年成長(zhǎng)率將達(dá)83%氮化鎵具高密度優(yōu)勢(shì)

　　由于氮化鎵鎖定中低功率應(yīng)用，其應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模要大于中高功率，因此Yole預(yù)估，氮化鎵元件2015年～2021年的成長(zhǎng)率將達(dá)83%，其中電源供應(yīng)器將占相當(dāng)大的一部份，近六成左右，而碳化矽同期的成長(zhǎng)則相對(duì)緩慢，成長(zhǎng)率約在21%左右。

　　GaNSystems亞洲高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)CharlesBailley表示，就電學(xué)性質(zhì)與物理特性來相比，氮化鎵與碳化矽皆采寬帶隙技術(shù)，碳化矽的熱導(dǎo)率3.5W/m-K高于氮化鎵1.5W/m-K，因此較適用于高功率應(yīng)用。

　　CharlesBailley指出，不過，在二維電子氣(TwoDimensionalElectronGas,2DEG)的遷移率上，氮化鎵(1800μ)明顯略勝碳化矽(125μ)一籌，此也是氮化鎵能達(dá)到高效率和高電源密度的原因。