高效率低能耗，SiC/GaN元件掀功率半導(dǎo)體革命熱潮 - 全文

　　隨著全球節(jié)能環(huán)保意識(shí)抬頭，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)始投入提高產(chǎn)品效率、降低功耗以及減少材料使用的技術(shù)開(kāi)發(fā)，加上電動(dòng)車、再生能源以及各種能源傳輸與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不斷要求高效率與低耗能設(shè)計(jì)，使得性能更加優(yōu)異的碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）等高規(guī)格功率元件有了用武之地。

　　為了實(shí)現(xiàn)高效率的能源傳輸與利用，這些高性能功率元件在能源轉(zhuǎn)換中扮演重要角色。傳統(tǒng)矽基（Si-based）材料由于無(wú)法提供較低導(dǎo)通電阻，因而在電力傳輸或轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)致大量能量損耗。SiC元件則由于具備高導(dǎo)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(yè)應(yīng)用與高能效利用的要求，在近期持續(xù)受到熱切關(guān)注。

　　相較于SiC已發(fā)展十多年了，GaN功率元件則才剛進(jìn)入市場(chǎng)，它是一種擁有類似于SiC性能優(yōu)勢(shì)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由于具有更大輸出功率與更快作業(yè)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(lái)全球?qū)τ诙际谢A(chǔ)建設(shè)、新能源、節(jié)能環(huán)保等方面的政策支持，擴(kuò)大對(duì)于SiC/GaN等高性能功率元件的需求，將進(jìn)一步促進(jìn)SiC/GaN功率元件的發(fā)展。

　　根據(jù)IHS IMS Research的報(bào)告顯示，在未來(lái)十年，受到電源、太陽(yáng)光電（PV）逆變器以及工業(yè)馬達(dá)的需求驅(qū)動(dòng)，新興的SiC和GaN功率半導(dǎo)體市場(chǎng)將以18%的速度穩(wěn)步成長(zhǎng)，預(yù)計(jì)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(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)測(cè)

　　如今，SiC已被普遍視為足以取代矽的可靠技術(shù)。大多數(shù)功率模組和電源逆變器制造商都將SiC納入技術(shù)開(kāi)發(fā)藍(lán)圖中，特別是PV逆變器可望成為SiC的最佳應(yīng)用。Yole Developpement的報(bào)告并指出，盡管受到全球經(jīng)濟(jì)不景氣影響，2012年整體電力電子市場(chǎng)低迷，經(jīng)歷約20%的負(fù)成長(zhǎng)，但SiC仍維持38%的年成長(zhǎng)率。目前全球約有30多家公司擁有SiC元件設(shè)計(jì)、制造與銷售能力，并進(jìn)行相關(guān)的SiC技術(shù)研發(fā)。

　　而隨著GaN功率元件銷售與產(chǎn)品出貨量快速攀升，業(yè)界觀察家均看好GaN的市場(chǎng)前景。Yole Developpement在最近的調(diào)查報(bào)告中指出，“GaN功率市場(chǎng)邁向整合，準(zhǔn)備迎向巨大成長(zhǎng)?！盰ole分析師Philippe Rousel預(yù)計(jì)，“GaN元件市場(chǎng)可望在2020年達(dá)到6億美元的規(guī)模，屆時(shí)將需要制造58萬(wàn)片6寸晶圓。此外，GaN市場(chǎng)將于2016年起迅速發(fā)展，伴隨電動(dòng)車（EV）/油電混合車（HEV）將在2018-2019年開(kāi)始采用GaN，2020年以前估計(jì)可實(shí)現(xiàn)80%的CAGR成長(zhǎng)?！?/p>

　　GaN的潛在應(yīng)用市場(chǎng)、成長(zhǎng)率與上市時(shí)程預(yù)測(cè)

　　SiC/GaN展現(xiàn)高規(guī)格

　　SiC/GaN功率元件有別于矽元件，是因?yàn)檫@種材料擁有更好的特性，能夠降低導(dǎo)通和切換時(shí)的能量損耗。例如，逆變器采用二極體和電晶體作為功率元件，僅采用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功率元件可廣泛用于節(jié)能、高頻和高溫三大電力電子系統(tǒng)，與傳統(tǒng)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。采用SiC功率元件開(kāi)發(fā)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(kāi)關(guān)頻率，縮小濾波器體積；并可確保在高溫環(huán)境下執(zhí)行的可靠性；同時(shí)還易于實(shí)現(xiàn)高電壓大功率的設(shè)計(jì)。隨著SiC元件技術(shù)普及，電動(dòng)車、油電混合車等使用高功率半導(dǎo)體元件的交通工具也開(kāi)始導(dǎo)入。

　　ROHM半導(dǎo)體指出，SiC功率元件具有耐高壓、低損耗、高速開(kāi)關(guān)等傳統(tǒng)矽材料元件所沒(méi)有的優(yōu)異特性。如今，對(duì)它的期待正以不可估量的態(tài)勢(shì)高漲。ROHM‘以SiC為核心的功率元件’作為該公司未來(lái)50年發(fā)展策略之一，致力于SiC功率元件和模組的開(kāi)發(fā)，滿足新的市場(chǎng)需求，并已開(kāi)始量產(chǎn)。

　　東芝半導(dǎo)體表示，由于消費(fèi)者越來(lái)越傾向于清潔能源與環(huán)境友善型的應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)于高轉(zhuǎn)換效率的功率元件需求不斷成長(zhǎng)。SiC功率元件被視為下一代低損耗的主流高壓功率元件。對(duì)于像伺服器電源及太陽(yáng)能空調(diào)等應(yīng)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(fā)揮優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　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(shì)。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(kāi)始上升，這意味著開(kāi)發(fā)新一代電晶體所需投入的資本正在提高，并可能超過(guò)技術(shù)帶來(lái)的低成本優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)技術(shù)開(kāi)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(kāi)發(fā)在性能上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的新一代SiC元件。此外，ROHM未來(lái)將透過(guò)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(shì)：與原來(lái)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(kāi)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(chǎng)還需要一段較長(zhǎng)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(kāi)關(guān)FOM，因此在高頻功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用可進(jìn)一步提高開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)以及軟開(kāi)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(guò)93.5%效率的12V轉(zhuǎn)至1.2V、50A、開(kāi)關(guān)頻率為500kHz的負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器，以及取得超過(guò)98%效率的48V轉(zhuǎn)至12V、30A、開(kāi)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(shuō)，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(chǎng)，并在潛力無(wú)窮的120億美元電晶體市場(chǎng)、300億美元電源管理元件市場(chǎng)、400億美元類比晶片市場(chǎng)以至于3，000億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)取得更大的占有率。

　　功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(lái)發(fā)展前景。為了進(jìn)一步提高在功率半導(dǎo)體市場(chǎng)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(gòu)已經(jīng)自立自強(qiáng)了35年的美商國(guó)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(gòu)行動(dòng)，而其主要的目的也在于取得GaN技術(shù)并。透過(guò)這項(xiàng)收購(gòu)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(chǎng)的更大規(guī)?？鐕?guó)電源元件供應(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(yáng)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(chǎng)。如今，英飛凌可藉由收購(gòu)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。”

　　根據(jù)英飛凌表示，透過(guò)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(zhǎng)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(gòu)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(zhǎng)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，”P(pán)LOSS說(shuō)。

　　對(duì)于英飛凌來(lái)說(shuō)，此次收購(gòu)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(gòu)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(lái)材料的更新?lián)Q代。