正面挑战SiC，GaN缓步进军中功率市场

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电动车与再生能源越来越受到重视，也为聚焦于中功率、高功率的碳化硅(SiC)创造大量需求。然而，当碳化硅乘着节能减碳的浪潮，一跃成为功率电子的当红炸子鸡之际，在中、低功率应用具备优势的氮化镓(GaN)也紧追在后。研究机构预期，碳化硅与氮化镓将自2020年起，在中功率市场产生竞争关系。

台达电技术长暨总经理张育铭表示，以前电力电子的厂商其实不多，不过近期随着碳化硅、氮化镓的半导体元件越来越多，这部分的市场是值得期待的。另外，若以功率设备来看，传统的火力发电、核能发电所用的电力电子比较少，不过新兴再生能源就不同了，风力电发电中的电力转换器扮演相当重要的角色，而太阳能发电的光伏逆变器(PV Inverter)，所占比重也很重。

谈到目前碳化硅晶圆的市场情形，Epiworld总经理冯淦表示，现今应用最为广泛的是4吋晶圆，而6吋的市场需求量也越来越高，不过从4吋到6吋的转变并没有预期的快，虽然6吋的价格成本更有优势，但主要问题在于6吋碳化硅的外延材料品质，还无法达到一定水准。他认为，在2～3年内，4吋的商机仍是可期的。

在车用功率半导体导入碳化硅方面，丰田专案总经理滨田公守表示，为达成「丰田环境挑战2050」的目标，丰田积极发展下世代车用功率半导体。近年来丰田开始尝试在电动车中导入碳化硅MOSFET、碳化硅JBS二极体，并于2015年2月开始进行实车路测。测试结果发现，碳化硅元件可改善能源效率的关键技术，其表现明显胜过于硅元件。

滨田进一步分析，采用碳化硅的电源控制系统中具备更高频率的控制，且功率模组、线圈、电容器的尺寸也明显缩小。不过同时他也表示，未来并不排除采用氮化镓作为提升燃料效率的功率半导体。

Yole Developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理Pierric Gueguen认为，碳化硅主要适用于600V以上的高功率应用，氮化镓则适用于200～600V中功率应用。不过根据Yole的预测，到了2020年，氮化镓将进一步往600～900V发展，届时势必会开始与碳化硅产生竞争关系。

由于氮化镓锁定中低功率应用，其应用市场规模要大于中高功率，因此Yole预估，氮化镓元件2015年～2021年的成长率将达83%，其中电源供应器(Power Supply)将占相当大的一部份，近六成左右，而碳化硅同期的成长则相对缓慢，成长率约在21%左右。

关于SiC和GaN的一些技术比较

相较于SiC已发展十多年了，GaN功率元件是个后进者，它是一种拥有类似于SiC性能优势的宽能隙材料，但拥有更大的成本控制潜力，尤其是高功率的硅基GaN由于具有更大输出功率与更快作业频率，已被看好可取代硅元件成为下一世代的功率元件。近年来全球对于都市基础建设、新能源、节能环保等方面的政策支持，扩大对于SiC/GaN等高性能功率元件的需求，将进一步促进SiC/GaN功率元件的发展。

根据IHS IMS Research的报告显示，在未来十年，受到电源、太阳光电(PV)逆变器以及工业马达的需求驱动，新兴的SiC和GaN功率半导体市场将以18%的速度稳步成长，预计在2022年以前，SiC和GaN功率元件的全球销售额将从2012年的1.43亿美元大幅增加到28亿美元。


2010-2022年全球SiC/GaN功率半导体市场预测

如今，SiC已被普遍视为足以取代硅的可靠技术。大多数功率模组和电源逆变器制造商都将SiC纳入技术开发蓝图中，特别是PV逆变器可望成为SiC的最佳应用。Yole Developpement的报告并指出，尽管受到全球经济不景气影响，2012年整体电力电子市场低迷，经历约20%的负成长，但SiC仍维持38%的年成长率。目前全球约有30多家公司拥有SiC元件设计、制造与销售能力，并进行相关的SiC技术研发。

而随着GaN功率元件销售与产品出货量快速攀升，业界观察家均看好GaN的市场前景。Yole Developpement在最近的调查报告中指出，“GaN功率市场迈向整合，准备迎向巨大成长。”Yole分析师Philippe Rousel预计，“GaN元件市场可望在2020年达到6亿美元的规模，届时将需要制造58万片6吋晶圆。此外，GaN市场将于2016年起迅速发展，伴随电动车(EV)/油电混合车(HEV)将在2018-2019年开始采用GaN，2020年以前估计可实现80%的CAGR成长。”


GaN的潜在应用市场、成长率与上市时程预测

SiC/GaN展现高规格

SiC/GaN功率元件有别于硅元件，是因为这种材料拥有更好的特性，能够降低导通和切换时的能量损耗。例如，逆变器采用二极体和电晶体作为功率元件，仅采用SiC二极体材料，就能使逆变器的功率损失降低15-30%左右；而如果电晶体材料也由硅换成SiC，则功率损失可减少一半以上。

SiC功率元件可广泛用于节能、高频和高温三大电力电子系统，与传统的硅功率元件相较，SiC功率元件具有切断拖尾电流极小、切换速度快、损耗低与耐高温的特性。采用SiC功率元件开发电力电子变流器，能提高功率密度、缩小装置体积；提升变流器效率；提高开关频率，缩小滤波器体积；并可确保在高温环境下执行的可靠性；同时还易于实现高电压大功率的设计。随着SiC元件技术普及，电动车、油电混合车等使用高功率半导体元件的交通工具也开始导入。

ROHM半导体指出，SiC功率元件具有耐高压、低损耗、高速开关等传统硅材料元件所没有的优异特性。如今，对它的期待正以不可估量的态势高涨。ROHM'以SiC为核心的功率元件'作为该公司未来50年发展策略之一，致力于SiC功率元件和模组的开发，满足新的市场需求，并已开始量产。

东芝半导体表示，由于消费者越来越倾向于清洁能源与环境友善型的应用，市场对于高转换效率的功率元件需求不断成长。SiC功率元件被视为下一代低损耗的主流高压功率元件。对于像伺服器电源及太阳能空调等应用，SiC功率元件提供了理想的解决方案。


东芝指出SiC与GaN元件可发挥优势的应用领域。

进一步降低SiC成本

SiC/GaN功率元件虽然在性能上优于硅元件，但是由于其SiC/GaN材料成本较高，所以难以普及，随着制程及生产技术进步，其成本已有逐渐下降的趋势。藉由制程技术进展，业界厂商表示SiC可望逼近硅功率半导体的成本，但事实上，如今二者之间还有一段差距。

宜普电源转换公司(EPC)亚太区FAE总监郑正一指出，根据Linley Group的研究资料，先进数位电路的电晶体成本在2012年第一次开始上升，这意味着开发新一代电晶体所需投入的资本正在提高，并可能超过技术带来的低成本优势。这是摩尔定律的失效——摩尔定律认为技术可不断缩小电晶体尺寸，并持续降低成本。

相反地，EPC第四代GaN场效电晶体(eGaN FET)技术则有助于使摩尔定律复苏，这是由于它具有更低导通电阻以及更快的切换速度，因此它的性能得以倍增而成本则可同时继续下降。更低的导通电阻代表当电晶体作业时可减低功率损耗。而更快的开关速度则意味着工程师可进一步缩小系统并在性能上抛离日益陈旧的功率MOSFET元件。

ROHM指出，相较于已经具有大量采用记录的SiC-SBD而言，SiC-MOSFET和全SiC功率模组的实际应用现在才开始。相较于以往硅基元件，如何在性能差异和成本差异间寻求平衡将成为SiC元件真正普及的关键。ROHM针对两个方面展开技术开发：一、基于SiC晶圆大口径化，降低SiC元件成本；二、相较于硅元件，开发在性能上具有绝对优势的新一代SiC元件。此外，ROHM未来将透过扩大普及SiC元件，促进在全球内实现节能和减少CO 2的排放。

此外，相较于传统MOSFET，通道型SiC MOSFET具有显著的优势：与原来的平面型相较可轻松降低导通电阻。因此，在获得相同的电流容量时，与平面型相较，通道型需要的芯片面积更小。如果可以减少芯片面积，那么一片SiC晶圆能够获得的芯片数量就会增加，因此能够提高生产效率，以及有助于削减成本。ROHM已经投产通道型SiC MOSFET，计划从2014年秋季开始陆续出样供货。

GaN元件突破技术障碍