有鑒于全球環(huán)保意識抬頭，碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)兩種功率轉(zhuǎn)換材料備受矚目。其中，碳化硅掌握早期開發(fā)優(yōu)勢，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的氮化鎵，則將緩步進(jìn)軍中功率市場。

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)用的碳化硅創(chuàng)造大量需求。另一方面，近期豐田汽車(Toyota)在電動車中導(dǎo)入碳化硅(SiC)組件的測試結(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，明顯勝過硅組件。

圖1、Toyota碳化硅測試用車

臺達(dá)電技術(shù)長暨總經(jīng)理張育銘表示，以前電力電子的廠商其實不多，不過近期隨著碳化硅、氮化鎵的半導(dǎo)體組件越來越多，這部分的市場是值得期待的。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(PV Inverter)，所占比重也很重。

并購Wolfspeed　英飛凌強(qiáng)化碳化硅事業(yè)

主要受益于碳化硅技術(shù)的領(lǐng)域除了再生能源，還有車用電子。在此趨勢的推波助瀾下，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，碳化硅芯片未來將逐漸與硅芯片并駕齊驅(qū)，尤其是在電動及混合動力汽車市場上。

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硅晶圓基板制造以及射頻功率應(yīng)用的碳化硅單晶氮化鎵層，英飛凌計畫在2016年底前完成這項交易，藉以協(xié)助英飛凌擴(kuò)大在物聯(lián)網(wǎng)、電動車以及再生能源等全球快速成長市場領(lǐng)域的布局。

然而，豐田汽車(Toyota)也隨之在測試結(jié)果中證明，在電動車中導(dǎo)入碳化硅，表現(xiàn)明顯勝過于硅組件。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車中導(dǎo)入碳化硅MOSFET、碳化硅JBS二極體，并于2015年2月開始進(jìn)行實車路測。

濱田公守進(jìn)一步指出，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳化硅組件可改善能源效率的關(guān)鍵技術(shù)，其表現(xiàn)明顯勝過于硅組件。在采用碳化硅的電源控制系統(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，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電動方程式賽車車隊(Venturi Formula E Team)，締結(jié)為期3年的技術(shù)伙伴契約，該車隊長期參與FIA電動方程式賽車錦標(biāo)賽。自10月9日開幕的第3季起，羅姆將提供碳化硅(SiC)功率組件，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)SiC MOSFET，并持續(xù)研發(fā)先進(jìn)組件。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，碳化硅使用在電動汽車(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備的電力，左右了賽事的勝敗。

Venturi Formula E Team技術(shù)長Franck Baldet表示，電動方程式賽車的本質(zhì)就是管理電力。能與羅姆締結(jié)合作關(guān)系，將能夠帶動賽車的整個電力系統(tǒng)進(jìn)化，進(jìn)一步提升馬達(dá)的速度。

ROHM離散式組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功率組件，可望進(jìn)一步活躍于油電混合車和電動汽車領(lǐng)域。羅姆希望能對多種產(chǎn)業(yè)、社會更多領(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。

分立組件方便性不足　功率模組聲勢看漲

針對碳化硅將大幅增強(qiáng)對功率模組(Power Module)需求的部分，張育銘表示，采用功率模組的原因在于，如果使用分立組件(Discrete)的話，工程師就必須自行并聯(lián)，得考慮到IGBT、MOSFET參數(shù)是否一致，對設(shè)計公司來講，是不切實際的，因此須要模組廠商來解決這個問題。

碳化硅是一種特別的多晶體材料，常見的有4H-SiC、6H-SiC、15R和3C，碳和硅的比都是1：1，但是在這個基礎(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組件，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(圖2)。

圖2、碳化硅材料以4H-SiC為基板，進(jìn)行晶圓外延伸長。

談到目前碳化硅晶圓的市場情形，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寸的價格成本更有優(yōu)勢，但主要問題在于6寸碳化硅的外延材料品質(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。 除了碳化硅組件備受矚目，擁有中、低功率應(yīng)用優(yōu)勢的氮化鎵(GaN)組件也緊追在后。

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

Pierric Gueguen認(rèn)為，碳化硅主要適用于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，到了2020年，氮化鎵將進(jìn)一步往600～900V發(fā)展，屆時勢必會開始與碳化硅產(chǎn)生競爭關(guān)系。

2020年成長率將達(dá)83%氮化鎵具高密度優(yōu)勢

由于氮化鎵鎖定中低功率應(yīng)用，其應(yīng)用市場規(guī)模要大于中高功率，因此Yole預(yù)估，氮化鎵組件2015年~2021年的成長率將達(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，而碳化硅同期的成長則相對緩慢，成長率約在21%左右。

GaN Systems亞洲高級營銷總監(jiān)Charles Bailley表示，就電學(xué)性質(zhì)與物理特性來相比，氮化鎵與碳化硅皆采寬帶隙技術(shù)，碳化硅的熱導(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。

Charles Bailley指出，不過，在二維電子氣(Two Dimensional Electron Gas, 2DEG)的遷移率上，氮化鎵(1800μ)明顯略勝碳化硅(125μ)一籌(圖3)，此也是氮化鎵能達(dá)到高效率和高電源密度的原因。

圖3、氮化鎵在2DEG遷移率上的優(yōu)勢，是其擁有高電源密度的關(guān)鍵。