進(jìn)一步降低SiC成本 - 高效率低能耗，SiC/GaN元件掀功率半導(dǎo)體革命熱潮

　　進(jìn)一步降低SiC成本

　　SiC/GaN功率元件雖然在性能上優(yōu)于矽元件，但是由于其SiC/GaN材料成本較高，所以難以普及，隨著制程及生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，其成本已有逐漸下降的趨勢。藉由制程技術(shù)進(jìn)展，業(yè)界廠商表示SiC可望逼近矽功率半導(dǎo)體的成本，但事實(shí)上，如今二者之間還有一段差距。

　　宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）亞太區(qū)FAE總監(jiān)鄭正一指出，根據(jù)Linley Group的研究資料，先進(jìn)數(shù)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(fā)新一代電晶體所需投入的資本正在提高，并可能超過技術(shù)帶來的低成本優(yōu)勢。這是摩爾定律的失效——摩爾定律認(rèn)為技術(shù)可不斷縮小電晶體尺寸，并持續(xù)降低成本。

　　相反地，EPC第四代GaN場效電晶體（eGaN FET）技術(shù)則有助于使摩爾定律復(fù)蘇，這是由于它具有更低導(dǎo)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(shí)繼續(xù)下降。更低的導(dǎo)通電阻代表當(dāng)電晶體作業(yè)時(shí)可減低功率損耗。而更快的開關(guān)速度則意味著工程師可進(jìn)一步縮小系統(tǒng)并在性能上拋離日益陳舊的功率MOSFET元件。

　　ROHM指出，相較于已經(jīng)具有大量采用記錄的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模組的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)在才開始。相較于以往矽基元件，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(guān)鍵。ROHM針對(duì)兩個(gè)方面展開技術(shù)開發(fā)：一、基于SiC晶圓大口徑化，降低SiC元件成本；二、相較于矽元件，開發(fā)在性能上具有絕對(duì)優(yōu)勢的新一代SiC元件。此外，ROHM未來將透過擴(kuò)大普及SiC元件，促進(jìn)在全球內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減少CO2的排放。

　　此外，相較于傳統(tǒng)MOSFET，通道型SiC MOSFET具有顯著的優(yōu)勢：與原來的平面型相較可輕松降低導(dǎo)通電阻。因此，在獲得相同的電流容量時(shí)，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，那么一片SiC晶圓能夠獲得的晶片數(shù)量就會(huì)增加，因此能夠提高生產(chǎn)效率，以及有助于削減成本。ROHM已經(jīng)投產(chǎn)通道型SiC MOSFET，計(jì)劃從2014年秋季開始陸續(xù)出樣供貨。

　　GaN元件突破技術(shù)障礙

　　SiC/GaN功率元件雖然備受矚目，但是目前的發(fā)展仍處于初期階段，進(jìn)入主流市場還需要一段較長的時(shí)間，但廠商們正不遺余力地提升產(chǎn)品性能以及性價(jià)比，業(yè)界近期推出的元件也較先前的產(chǎn)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(shù)障礙：

　　·具備更低導(dǎo)通電阻：由于全新GaN FET系列可降低一半導(dǎo)通電阻，因此可支援大電流、高功率密度應(yīng)用。

　　·進(jìn)一步改善品質(zhì)因子（FOM）：最新一代GaN FET較上代元件降低一半的硬開關(guān)FOM，因此在高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用可進(jìn)一步提高開關(guān)性能。

　　·更寬廣的電壓范圍：由于受惠于采用GaN FET擴(kuò)展至30V的應(yīng)用，因此可支援更高功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器、POL轉(zhuǎn)換器以及隔離型電源供電、電腦與伺服器內(nèi)的同步整流器等更多應(yīng)用。

　　·更優(yōu)越的散熱性能：新一代GaN FET系列產(chǎn)品在溫度方面具備增強(qiáng)性能并配備更優(yōu)越的晶片布局，因而改善了散熱及電學(xué)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(fā)展至第四代，鄭正一表示，最新一代GaN FET更為業(yè)界提高了電源轉(zhuǎn)換的性能基準(zhǔn)。由于全新第四代GaN元件系列在主要開關(guān)品質(zhì)因子方面取得重大增益，因此在性能上可進(jìn)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(shí)現(xiàn)更低FOMHS與FOMSS值外，EPC配合使用改進(jìn)的元件封裝以及具有低寄生電感的PCB布局，使得在硬開關(guān)以及軟開關(guān)應(yīng)用采用具有高功率密度的GaN FET轉(zhuǎn)換器的高頻性能得以大幅提升。

　　增強(qiáng)型GaN FET的應(yīng)用范例包括取得超過93.5%效率的12V轉(zhuǎn)至1.2V、50A、開關(guān)頻率為500kHz的負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器，以及取得超過98%效率的48V轉(zhuǎn)至12V、30A、開關(guān)頻率為300kHz的非隔離型DC-DC中間匯流排轉(zhuǎn)換器。

　　這些元件在特定應(yīng)用領(lǐng)域可發(fā)揮極大的作用。他補(bǔ)充說，這些由30V至200V的電晶體在很多應(yīng)用可大幅降低導(dǎo)通電阻，并可增強(qiáng)輸出電流性能，例如具高功率密度的DC-DC轉(zhuǎn)換器、POL轉(zhuǎn)換器、DC-DC與AC-DC轉(zhuǎn)換器的同步整流器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、發(fā)光二極體照明及工業(yè)自動(dòng)化等廣泛應(yīng)用，使得GaN技術(shù)進(jìn)一步邁向目標(biāo)市場，并在潛力無窮的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于3，000億美元的半導(dǎo)體市場取得更大的占有率。

　　功率半導(dǎo)體市場吹整并風(fēng)

　　此外，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最近還吹起了整并風(fēng)潮，同樣著眼于GaN的未來發(fā)展前景。為了進(jìn)一步提高在功率半導(dǎo)體市場的主導(dǎo)地位，英飛凌科技（Infineon Technologies）日前以30億美元現(xiàn)金大手筆收購已經(jīng)自立自強(qiáng)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(dòng)，而其主要的目的也在于取得GaN技術(shù)并。透過這項(xiàng)收購行動(dòng)，英飛凌得以重新定位該公司為一家囊括基于矽、SiC與GaN功率元件與IC市場的更大規(guī)?？鐕娫丛?yīng)商。

　　英飛凌已在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域建立起強(qiáng)大的業(yè)務(wù)版圖，特別是600V與1，200V等高電壓元件以及1，800V電網(wǎng)，市調(diào)公司Gartner研究總監(jiān)Stephan Ohr 表示，“英飛凌一直看好在太陽能與風(fēng)力等替代能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，但這畢竟仍是利基型的市場。如今，英飛凌可藉由收購擴(kuò)大產(chǎn)品組合，為專用于智慧建筑與智慧城市計(jì)劃提供最大量的高電壓元件?！?/p>

　　根據(jù)英飛凌表示，透過結(jié)合IR的低電壓、低功耗晶片，可進(jìn)一步擴(kuò)展英飛凌的高電壓、高功率半導(dǎo)體產(chǎn)品版圖，從而促進(jìn)該公司在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的進(jìn)展。例如，英飛淩擅長1kV以上的IGBT晶片以及采用IGBT功率模組等應(yīng)用的高功率半導(dǎo)體，瞄準(zhǔn)汽車、鐵路、PV發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及工業(yè)設(shè)備等用途；而IR則專注于提供1kV以下的功率半導(dǎo)體，包括低電壓IGBT、小型IPM、DC-DC轉(zhuǎn)換器等MCM元件，適用于白色家電與AV設(shè)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(dǎo)體生產(chǎn)300mm薄晶圓的產(chǎn)能利用率。

　　英飛凌和IR都擁有DC-DC業(yè)務(wù)，但I(xiàn)R在負(fù)戴點(diǎn)（POL）領(lǐng)域提供了更好的補(bǔ)強(qiáng)。英飛凌科技執(zhí)行長Reinhard Ploss表示，IR擁有強(qiáng)大的“多晶片封裝技術(shù)，”可用于生產(chǎn)英飛凌的高電壓系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）解決方案。他預(yù)期IR的技術(shù)將推動(dòng)英飛凌的功率模組性能進(jìn)展，“我們也期待著利用氮化鎵，”PLOSS說。

　　對(duì)于英飛凌來說，此次收購還將有助于縮小矽基GaN技術(shù)差距。針對(duì)新一代功率元件領(lǐng)域，雙方技術(shù)也甚少重疊──英飛凌致力于研發(fā)SiC，而IR則專注于GaN技術(shù)，而且兩家公司分別在SiC/GaN領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。英飛凌在2001年首先推出SiC二極體，IR則于2010年領(lǐng)先投產(chǎn)搭載GaN功率元件的MCM。藉由收購取得IR先進(jìn)的GaN功率元件制造技術(shù)，將有助于使英飛凌加速并鞏固該公司在GaN獨(dú)立元件與GaN系統(tǒng)解決方案的地位，并進(jìn)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(yīng)用。

　　盡管目前的供電系統(tǒng)、電力機(jī)車、工廠生產(chǎn)設(shè)備、PV發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)器、空調(diào)與白色家電、伺服器與PC等許多領(lǐng)域仍采用矽晶二極體、MOSFET或IGBT等電晶體作為功率元件。然而，隨著SiC正逐漸普及于馬達(dá)、PV逆變器與空調(diào)等電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用，各種安全工程、鐵路、資訊技術(shù)、新能源、節(jié)能設(shè)備與城市基礎(chǔ)設(shè)備計(jì)劃的巨大需求出現(xiàn)，加上電力公司、汽車制造商與電子廠商的期待，SiC與GaN等功率半導(dǎo)體可望進(jìn)一步迎來材料的更新?lián)Q代。