傳統的硅功率器件，由于價格低廉與開發時間較早，已在各種電力電子系統中廣泛應用。然而，隨著電力電子應用的高效率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等需求，逐漸帶出碳化硅與氮化鎵等新一代寬禁帶材料功率半導體技術與產品進入應用量產階段……
繼現有的硅(Silicon,Si)之后，采用碳化硅(Silicon Carbide, SiC)和氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)等新型半導體材料的功率組件產品紛紛出現在人們的視野之內。相關數據顯示，預計到2020年，新一代功率半導體的銷售額將達到1665億日元，約為2014年(129億日元)的約13倍。隨著新一代功率半導體的出現，會逐漸擠壓Si功率半導體的市場空間么？其將會帶來哪些新的市場機遇？當前面臨的技術挑戰又有哪些？
SiC和GaN功率器件優勢明顯 逐步導入應用階段
為了實現高效率的能源傳輸與利用，高性能功率元件在能源轉換中扮演著重要角色。傳統矽基（Si-based）材料由于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元件則由于具備高導熱特性，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。相較于SiC已發展十多年了，GaN功率元件則才剛進入市場，它是一種擁有類似于SiC性能優勢的寬能隙材料，但擁有更大的成本控制潛力。
瀚薪科技股份有限公司市場與營銷經理楊雅嵐表示，傳統的硅功率器件，由于價格低廉與開發時間較早，已在各種電力電子系統中廣泛應用。然而，隨著電力電子應用的高效率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等需求，逐漸帶出碳化硅與氮化鎵等新一代寬禁帶材料功率半導體技術與產品進入應用量產階段。
瀚薪科技股份有限公司市場與營銷經理 楊雅嵐
意法半導體功率分立器件部技術市場高級經理 Gianfranco CALABRO直言，SiC和GaN這兩種寬帶隙功率器件的開發目的都是為適用于新興大功率應用領域，提高能效和開關頻率，降低功率損耗。但目前與傳統硅器件相比，市場份額還較低。
無疑，作為新一代功率器件，SiC和GaN的性能更加優異。美國力特公司（Littelfuse, Inc.）資深銷售經理朱少榮稱，相比傳統的Si功率器件，SiC具有四大優點：開關功耗小，更適合高頻開關電源；極低的正向壓降，導通功耗低；結溫高達175度； MPS(合并肖特極P-N結)架構提高了抗沖擊能力，降低了漏電流。
強茂股份有限公司 SiC產品經理方士碩進一步表示，在高溫工作環境下，SiC與GaN電性相較Si組件穩定且效能較好，切換速度(switching speed)快速，使組件效率提升；在設計上則因為可在高溫工作，可減少散熱系統體積。方士碩指出，由于Si產品成本較低，市占量還是最高，但考慮到效能以及節能需求，預計到2020年時，SiC與GaN等寬能隙材料的需求量將會比現在提高3-4倍。
應用領域各有側重 SiC/GaN瞄準高功率密度和高能效市場
在Si材料的長久技術發展培育下，Si功率半導體仍為電力電子應用的零件主流。盡管在高效率、高功率密度與高頻化設計應用方面，Si材料功率半導體確實面臨發展的瓶頸，而且整個行業都在朝寬禁帶的SiC與GaN功率半導體技術方向發展，但這并不意味著Si功率器件可以被完全取代。另外，由于各自的性能不同，Si、SiC和GaN功率器件各有不同的應用市場。
朱少榮就表示，在電力電子應用中，功率器件的功耗日益成為一個深受關注的焦點，而Si功率器件的經過多年的發展，性能已經接近極限，已很難再通過技術升級來降低功耗，提高溫度極限。“SiC和GaN等功率器件具有開關速度快，導通阻抗低，降低了設備的功耗，同時又具有耐高溫特性，因此，在高頻、高溫及大功率應用領域中，SiC具有傳統Si半導體器件無法比擬的優勢。”不過，朱少榮同時也指出，在電源等應用市場，Si,SiC,GaN等功率器件會有一定的交叉。
“SiC材料具備高耐壓與耐高溫操作特性，非常適合用來設計600V以上的高壓器件；而針對無線充電等MHz水平的高頻應用需求，600V以下的GaN則將有其市場發揮擅長。” 楊雅嵐表示，以市場規模來看，Si功率器件仍有其不可取代性，依然主導整個功率半導體市場的最大份額，而SiC與GaN則將由較高規格的電力電子應用切入，逐步替代既有市場。“以市場成長潛力來說，Si功率器件市場將持續走入低價低利的發展，而SiC與GaN則可望在高規格應用的推動下，維持較佳的規模成長空間。”
方士碩也表示，在需要高耐壓(>600V)高電流特性時，使用SiC組件會較為有利；而在需要高頻切換時，使用GaN組件會較有利。方士碩進一步稱，在應用市場端，不斷電系統、發電系統(風力發電/太陽能發電)，工業及車用電子模塊等對于效率要求較高，使用SiC或GaN可以有較大幅度改善效率。
Gianfranco CALABRO認為，因為擊穿電壓有可能達到更高水平，碳化硅在工業應用中的前景更好，如逆變器、電動/混動汽車轉換器、三相開關電源。而氮化鎵的擊穿電壓相對較低(低壓MOSFET <200V)，所以目標應用更傾向于傳統開關電源，以及網絡或電信設備的直流-直流轉換器。兩種技術都瞄準高功率密度和高能效市場。他同時也表示，在傳統大功率開關電源應用領域（例如，服務器）可能會有些重疊，因為應用系統對參數的要求相似。“與氮化鎵相比，碳化硅已被市場廣泛認可，并在工業應用等市場開始啟動，隨著晶片生產線轉向六英寸，市場滲透率將會提高。”
意法半導體功率分立器件部技術市場高級經理 Gianfranco CALABRO
目前，全球各大半導體公司對于SiC的技術研究已經進入到成熟期，大功率SiC器件已經開始推向市場。“在一些新能源產品、航空、電動汽車及工業設備中，SiC器件已開始被廣泛應用，逐步替代傳統Si半導體器件。” 朱少榮說， Littelfuse 今年三月份推出的碳化硅肖特基二極管已經很快被一些工業和電動汽車客戶所接受。
隨著新能源、工業設備等應用市場需求的啟動，SiC與GaN功率半導體的市場前景一片大好。全球半導體貿易統計組織WSTS發布的數據顯示，2016年全球分立式半導體市場約達190億美元規模，較2015年市場規模成長約2%。而在寬禁帶的SiC與GaN功率半導體市場方面，預估在應用系統需求帶動、寬禁帶材料半導體技術發展愈臻成熟，以及產品價格逐步降低的推波助瀾下，市場規模將由目前的2.5億美元，快速成長至2025年的35億美元水平，預估十年間的年復合成長率將達30%。
國內外企業爭先推SiC器件 GaN產品進程不一
由于看好SiC與GaN功率半導體的未來發展前景，國內外各大廠商早已有所布局。
瀚薪科技一直以來致力于SiC與GaN功率半導體技術與產品開發，專注投入于SiC與GaN的材料特性、制程工藝與功率半導體設計及電力電子應用的相關研究。楊雅嵐稱，目前瀚薪科技已推出650V與1200V SiC肖特基二極管與MOSFET產品，以符合電源、光伏逆變與新能源車輛等應用的高效率產品需求。而且，該系列產品已大量為電源適配器、開關電源應用、DC-DC變流器及充電樁等客戶導入采用。據介紹，650V 100A與1200V 60A規格的大電流SiC肖特基二極管芯片產品，主要是針對新能源汽車應用中對功率模塊大電流應用的需求，通過大電流芯片的采用，用戶可減少模塊內芯片的用量，進一步提高功率模塊的產品可靠度。此外，瀚薪科技還開發了耐壓650V與1200V SiC MOSFET標準規格產品，并以自主知識產權設計了新型態的SiC MOSFET器件，這有助提高SiC MOSFET產品可靠度，并簡化應用客戶的系統設計問題。
楊雅嵐透露，瀚薪科技目前已在SiC肖特基二極管與SiC MOSFET市場應用導入量產，未來將持續擴展大電流規格SiC MOSFET產品開發，同時針對1700V與3300V SiC功率器件進行技術與產品開發投入，以期為新能源應用、軌道交通與智能電網等高功率電力電子創新設計提供更可靠的新型功率半導體方案。GaN功率器件，則將以600V以下HEMT器件技術為主，切入無線充電等高頻應用市場。
基于SiC材料，Littelfuse推出了LFUSCD 系列SiC肖特基二極管, 耐壓650V和1200V，額定正向導通電流在4A到30A，封裝有雙引腳TO-220及三引腳TO-247。“該系列產品使設計人員能夠顯著降低開關損耗，能夠適應大浪涌電流而不會產生熱失控，工作結溫更高，并能大幅增加系統效率和耐沖擊力。” 朱少榮稱，利用SiC功耗低，開關速度快的特點，LFUSCD 系列 SiC 肖特基二極管可用于各種應用，包括有源功率因數校正（PFC）、DC-DC 轉換器中的降壓或升壓級、變頻器級續流二極管（開關模式電源、太陽能、UPS、工業驅動器）、和高頻輸出整流。他透露，Littelfuse投入了大量的研發力量開發SiC產品，除了SiC肖特極二極管，很快還將推出新的產品以適應市場的需求。
美國力特公司（Littelfuse, Inc.）資深銷售經理 朱少榮
強茂推出的產品同樣為SiC肖特基，耐壓同樣為650V和1200V，電流則從2A到10A，在高溫環境下依舊保持低漏電流與高切換速度，可明顯提升電路效率。“未來，將會持續往高電壓高電流方向研發SiC肖特基，并將開發SiC MOSFET產品，以讓SiC產品線更加完整。” 方士碩說。
Gianfranco CALABRO直言，在碳化硅MOSFET廠商中，只有意法半導體的塑料封裝器件保證結溫達到200°C，在高結溫時工作性能更加出色。值得一提的是，意法半導體的碳化硅MOSFET的導通電阻的溫度比變化極小，特別適合逆變器和電動汽車的車載充電器。至于氮化鎵產品，目前則還處于研發階段。Gianfranco CALABRO透露稱，意法半導體計劃在2017年一季度到三季度之間推出第二代1200V系列產品，以及多款650V新產品，并擴大封裝選擇范圍，2017年底將推出汽車級產品。
封裝、成本等依然是制約因素
目前，碳化硅已導入應用量產，性能得到很多用戶認可，但氮化鎵技術的發展目前仍處于初期階段，尚未完全成熟。
“SiC肖特基二極管的產品導入應用量產，至今已有超過10年的時間，器件在應用的可靠度與經驗已相對成熟，隨著近年的價格大幅下降，應用客戶已逐漸擴大應用設計。”楊雅嵐稱，SiC MOSFET產品推出量產至今大約5年的時間，在器件氧化層質量部分，仍有改善與提升空間。此外，用以取代IGBT的高良率、高電流SiC MOSFET設計，亦為技術發展的重點方向，高質量、低成本的大尺寸SiC襯底與外延技術發展，終將扮演向前躍進的關鍵。
Gianfranco CALABRO認為，在不久的將來，碳化硅MOSFET還會受益于新結構的應用，例如溝道，這將進一步提高單位裸片面積的導通電阻。
至于GaN技術，雖然近年來持續受到關注，但還面臨著一些技術障礙。Gianfranco CALABRO指出，一方面，其工作頻率高于現有器件；另一方面，氮化鎵技術還未達到標準化的最低要求，因為目前存在不同的版本，即采用Cascode的常開（耗盡溝道模式）結構和常關型（增強模式）。在封裝方面，氮化鎵采用傳統塑料封裝（高寄生電感），讓本身良好的開關性能大打折扣。Gianfranco CALABRO稱，意法半導體目前在研發塑料封裝的單片常關型氮化鎵，以保證此項技術本身良好的開關性能。
楊雅嵐認為，GaN在目前的技術開發上，主要面臨產品穩定度與可靠度的問題，器件封裝的發展仍為技術開發之關鍵。此外，由于GaN器件的應用仍將著重在其高頻開關特性優勢，驅動控制的選用及調校，以及高頻操作下衍生的電磁干擾/兼容問題，對器件與系統研發人員的設計水平是一大考驗。
相較于傳統的Si功率半導體，寬禁帶的SiC與GaN技術產品帶來材料上的優勢特性。不過，楊雅嵐指出，由于材料造成的器件特性與傳統Si器件有所差異，在使用上仍須針對器件特性進行優化參數設計，系統設計與器件設計的深入探討、相輔相成，才能有效發揮寬禁帶功率器件所帶來的優勢。
作為一種新型的功率器件，SiC 和GaN器件的成本比Si器件高出不少。提高良率、增加晶圓尺寸是各大企業在降低成本方面普遍采用的舉措。
“SiC與GaN功率器件，不管是晶圓設計還是設備都與傳統Si組件不同，產業進入門坎高，且因材料特性，制程難度高，導致成本也增加。”方士碩舉例稱，如SiC 肖特基，在相同電壓電流規格下，SiC 肖特基的成本高出Si數倍，但強茂可利用不同的制程和增加晶圓尺寸來降低成本，以提供最適合客戶需求的SiC產品。“2020年前，SiC器件或可慢慢取代現有的Si組件，提升到現有市場占額的3~4倍。”
強茂股份有限公司 SiC產品經理 方士碩
楊雅嵐稱，由于SiC與GaN的材料與Si不同，在襯底/外延的生產技術上也與Si有極大的差異，導致SiC與GaN功率器件的成本大幅高于Si功率器件，這也是SiC/GaN器件無法全面取代Si器件市場之主因。不過，楊雅嵐同時也表示，近年來隨著襯底/外延材料技術與供應的提升，材料成本已逐年下降；伴隨著器件供應量與應用的增長，SiC功率器件的價格已逐漸為應用客戶所接受。楊雅嵐認為，持續降低成本，為應用客戶創造更多的導入機會，仍是市場滲透的重要策略。“瀚薪科技持續投入SiC與GaN器件上創新技術的開發，以簡化應用設計，協助客戶從系統面取得優勢。另一方面，瀚薪科技也在持續提升生產良率、導入大尺寸等襯底相關關鍵技術。”
Gianfranco CALABRO認為，如果考慮到普通硅器件的性能限制，碳化硅和氮化鎵器件較高的成本還是合理的。“明年，隨著用量提高以及生產線向大尺寸晶片升級，成本結構將會得到優化。”
朱少榮也表示，隨著SiC技術的發展，更多的商用化產品推向市場， SiC功率器件會越來越被市場接受，表現出高性價比。
成本下降是必然 SiC MOSFET將搶占IGBT市場
由于SiC MOSFET具備高頻開關與無拖尾電流的特性，可有效縮減應用系統體積，同時提高系統效率、增加功率密度；又因為寬禁帶材料的特性，SiC非常適合做為高耐壓的器件。那么隨著SiC功率器件成本的下降，在高壓功率市場，其會逐漸擠壓IGBT的市場嗎？
楊雅嵐直言，在取代IGBT的市場，SiC MOSFET確有其發展潛力。“以目前全球的應用導入趨勢來看，光伏逆變器與新能源車輛的馬達驅動控制應用，將為SiC MOSFET滲透IGBT市場的重要切入點。”她進一步稱，相較于傳統Si的MOSFET與IGBT產品，SiC MOSFET產品能夠通過外延厚度的調整，達到耐壓650V、1200V與1700V以上的規格要求。在器件特性上，SiC MOSFET較Si器件擁有優異的低切換損失優勢，單位芯片面積下的導通電阻(RDS(on))遠低于Si MOSFET；在光伏與新能源車輛所需的高功率逆變器應用上，過去使用了大量的Si IGBT器件與功率模塊，但由于IGBT切換頻率較低且帶有拖尾電流，應用客戶已逐漸展開新的系統設計，透過SiC MOSFET的采用，提高開關頻率并消除拖尾電流，進一步獲得系統體積縮減與效率提升的好處。
Gianfranco CALABRO也表示，在工業和家電市場上，IGBT是一個高成本效益的解決方案，但是，在逆變器市場上，碳化硅MOSFET將接替IGBT成為新的霸主，因為逆變器市場對能效要求很高。在電機控制市場上，IGBT將要面臨一場衛冕戰。
朱少榮和方士碩也皆表示，隨著更多商業化SiC 產品的推出，SiC MOSFET等會逐步替換掉IGBT的市場。朱少榮稱，“特別是在一些轉換驅動電路方面，終端客戶往往會關注到功耗與效率，而這正是SiC功率器件的優點。”方士碩表示，因電源供應器的效率及標準要求越來越高，PFC設計有使用SiC取代Si的趨勢，以符合各國標準。另外，在光伏逆變器、油電混合車及電動車等產品，使用SiC所能提升的表現更加明顯。