【趨勢大師】碳化矽及氮化鎵將成為功率半導體的重要元件

本文作者為微驅科技總經理吳金榮

新科技讓人類的生活更方便、隨時隨地透過行動裝置掌握最新資訊，天涯若比鄰與全世界緊密連繫，這皆是無線通訊、雲端資料中心、高效能運算等科技的功能。
 
這些高科技應用皆需要有效率的電力設備，方能節省電力。
 
在節能減碳的訴求下，電子產品對電力的效率要求不斷地提升，強調低電力損失及高崩潰電壓(Breakdown Voltage)特性，傳統的矽基功率半導體元件規格已面臨物理學上的極限，無法滿足新時代電子設備對功率半導體元件的需求。
 
新一代的半導體元件材料，碳化矽(Silicon Carbide，SiC)以及氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)可解決矽基功率半導體元件的不足之處。以SiC及GaN製出的半導體元件，具寬能隙(Wide Band Gap)，以及在高溫運作時仍功能穩定等特性，因此適合特殊功率應用。
 
SiC及GaN寬能隙半導體進入市場已有8年，最近電動車及油電混合車日益流行，寬能隙半導體在這方面的應用受到重視。
 
以SiC及GaN寬能隙半導體製成的元件，較使用傳統矽基半導體製成的元件，可節省系統成本及體積。這對力圖降低電動車/油電混合車重量的汽車業者來說，是一項好消息。
 
與傳統的功率半導體元件比較，SiC及GaN半導體元件具有諸多的優點，使用SiC及GaN半導體元件，電力損失小，能增加電能使用效率，降低發熱，因此可使用較小的散熱設備。
 
SiC及GaN半導體元件在較高溫度操作時，電氣特性穩定，因此可提高系統的可靠性。SiC及GaN半導體元件可以在較高頻率下運作，這可以在系統中使用較小的濾波器，使得系統的重量降低。
 
雖然SiC及GaN半導體元件有很多優點，不過它也有缺點。
 
首先是價格，目前SiC及GaN半導體元件的價格較矽基半導體元件價格的高出數倍，雖然系統成本可能較低，但是高元件價格仍是進入市場的障礙。
 
其次是採用SiC及GaN半導體元件後，系統中許多相關的元件必須更換，這會增加設計的複雜度及成本。
 
SiC及GaN半導體元件最大的優點是省電，可應用在所有的電子設備，從消費電子設備、半導體照明、電動車到風力發電、基地台、資料中心、伺服器等等，SiC及GaN半導體元件皆有「用武之地」。
 
SiC及GaN半導體元件用於家電設備，據估計可節省約50%的用電，用於風力發電系統可提高約20%的效率。
 
英飛凌(Infineon)、安森美(On Semiconductor)、意法半導體(STMicroelectronics)、德州儀器(TI)、高森美(Microsemi)、恩智浦(NXP)及羅姆(Rohm)等傳統的功率半導體供應商，皆大力投資發展SiC及GaN寬能隙功率半導體元件。
 
SiC及GaN被稱為第3代半導體材料，僅管性能大幅超越矽基半導體元件，然而因為價格高昂，市場仍須時間方能普及。
 
電動車、資料中心、人工智慧、5 G等應用相繼擴大，SiC及GaN半導體元件市場已開始加溫。
 
以英飛凌為例，該公司在GaN半導體元件至少深耕了10年以上，GaN半導體元件的整體成本，相較於傳統矽元件的差距近期已拉近不少。
 
英飛凌GaN半導體元件將從既有的6吋晶圓廠轉移到8吋廠生產，產能可望進一步擴大。