以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)材料為主流的寬能隙(WBG)半導(dǎo)體功率元件，在節(jié)能永續(xù)意識(shí)抬頭的今日成為各種電源系統(tǒng)應(yīng)用的寵兒；2022年Tech Taipei系列研討會(huì)首度以WBG元件為題，邀請(qǐng)業(yè)界重量級(jí)業(yè)者，從設(shè)計(jì)、制造、測試等不同面向與現(xiàn)場超過400位聽眾分享最新技術(shù)與應(yīng)用趨勢……

隨著各國碳中和、凈零關(guān)法規(guī)正式上路，節(jié)能減碳已不再只是口號(hào)。全球所謂的「用電大戶」企業(yè)，也必須盡快開始審視其節(jié)能環(huán)保相關(guān)的舉措，否則將影響未來產(chǎn)品銷售與公司永續(xù)經(jīng)營的契機(jī)。事實(shí)上，半導(dǎo)體元件及電子產(chǎn)品的制造過程與使用，都相當(dāng)耗電，甚至半導(dǎo)體元件制程過程，不僅需要電力還需要大量潔凈的水；另外，資料中心亦為耗費(fèi)水與電力資源的大戶。

這些用電大戶們勢必一同邁向未來節(jié)能永續(xù)、綠色環(huán)保世界的大道上。汽車產(chǎn)業(yè)已大力推動(dòng)電動(dòng)車(EV)的發(fā)展，再生、替代能源的使用，亦在電力領(lǐng)域逐漸位居要角，半導(dǎo)體、電子產(chǎn)品相關(guān)廠商也在致力降低碳排放、達(dá)到碳中和，而要協(xié)助產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，化合物半導(dǎo)體，尤其是寬能隙(WBG)元件將為關(guān)鍵。

綠能供應(yīng)仍不足轉(zhuǎn)換效率成解方

在2022年開春第一場由ASPENCORE旗下《EE Tmes Taiwan》與《EDN Taiwan》團(tuán)隊(duì)主辦的TechTaipei「寬能隙元件技術(shù)暨未來應(yīng)用趨勢研討會(huì)」中，GaN System業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁莊淵棋表示，能源問題一直是人類發(fā)展過程中首要面對(duì)的大挑戰(zhàn)，而這也衍生了電力供給的競賽。根據(jù)EIA統(tǒng)計(jì)，到2025年全球總能源供給中，再生能源僅占40%；這也意味著還有60%需要倚賴傳統(tǒng)的石化原料來發(fā)電，對(duì)于全球朝向節(jié)能減碳、環(huán)保永續(xù)的未來之路，設(shè)下了重大的阻礙。

也因此，許多能符合環(huán)保節(jié)能的應(yīng)用才如此受到矚目，例如不以石油作為燃料，可減少二氧化碳排放的電動(dòng)車。不過，莊淵棋提醒，雖然電動(dòng)車被視為「環(huán)?！沟慕煌üぞ撸妱?dòng)車顧名思義就是需要電力才能「跑動(dòng)」，若是電池組的電力消耗太快，時(shí)時(shí)需要充電，對(duì)電力的需求將是大增。因此從另一個(gè)角度來說，電動(dòng)車并不是那么環(huán)保的產(chǎn)品。

有鑒于此，在消費(fèi)者與車廠關(guān)注如何增加電動(dòng)車行駛距離、提高電池電力儲(chǔ)存之外，也必須思考電動(dòng)車的電池系統(tǒng)如何更有效率，讓電動(dòng)車成為名副其實(shí)的節(jié)能環(huán)保應(yīng)用。不只電動(dòng)車，包括資料中心在內(nèi)的電子產(chǎn)品也是耗電大戶，現(xiàn)今各國都已針對(duì)資料中心耗電的部分制定規(guī)范，車廠亦制定電動(dòng)車減碳、達(dá)碳中和的目標(biāo)，莊淵棋認(rèn)為，若要讓資料中心擺脫用電大戶的惡名，以及讓電動(dòng)車更為節(jié)能，從能源系統(tǒng)下手，提高電力轉(zhuǎn)換效率，即可進(jìn)而降低資料中心冷卻系統(tǒng)需求，促使資料中心能更加省電。

各種應(yīng)用采用寬能矽半導(dǎo)體的優(yōu)勢。(來源：GaN System)

那么該如何提到電力系統(tǒng)的效率？答案就是碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬能隙元件。鴻海研究院半導(dǎo)體研究所副組長陳仕誠表示，從Yole Développement統(tǒng)計(jì)資料可發(fā)現(xiàn)，燃油車占全球碳排放量的四分之一，這也是各國政府與車廠積極開發(fā)電動(dòng)車主因，而在特斯拉(Tesla)率先將電動(dòng)車供電系統(tǒng)從650V朝1,200V系統(tǒng)發(fā)展時(shí)導(dǎo)入SiC，凸顯SiC元件為電動(dòng)車電池帶來的效率優(yōu)勢后，各大車廠也開始采用SiC。

將燃油車逐步替換為電動(dòng)車，是降低碳排的有效方式。(來源：Yole Développement、鴻海研究院半導(dǎo)體研究所)

GaN雖然在高壓系統(tǒng)應(yīng)用方面有所不及，然而該化合物半導(dǎo)體以其可縮小裝置體積、可于高頻運(yùn)作…等優(yōu)勢，也打進(jìn)車輛OBC、光達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)等應(yīng)用中。陳仕誠指出，針對(duì)各國節(jié)能減碳的法規(guī)要求，化合物半導(dǎo)體可協(xié)助工業(yè)馬達(dá)、資料中心與再生能源等三大耗電大戶進(jìn)一步達(dá)標(biāo)，看準(zhǔn)寬能隙元件帶來的節(jié)能優(yōu)勢，許多應(yīng)用也開始依其需求導(dǎo)入SiC與GaN元件。

電力相關(guān)應(yīng)用SiC/GaN聲勢看漲

莊淵棋透過一張統(tǒng)計(jì)圖表說明，為何寬能隙元件在目前各種電力系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用中如此受矚目。他指出，寬能隙半導(dǎo)體在工業(yè)、消費(fèi)性電子/資料中心、太陽能/風(fēng)能轉(zhuǎn)換等「耗電大戶」應(yīng)用中，可省下的電力相當(dāng)驚人；不僅如此，寬能隙半導(dǎo)體在系統(tǒng)體積、效率等方面也比矽元件更具優(yōu)勢。

不過，SiC和GaN雖然比矽元件具備更多優(yōu)勢，但仍有其不同特性與優(yōu)缺點(diǎn)，以下分別介紹目前SiC與GaN元件擅長的應(yīng)用。

SiC縱橫高壓領(lǐng)域

有鑒于現(xiàn)今電力的不足與節(jié)能減碳的議題受到全球重視，英飛凌(Infineon)電源及感測系統(tǒng)事業(yè)部資深協(xié)理陳清源認(rèn)為，取得更多太陽能與風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的再生能源，提高系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換效率，以及促使消費(fèi)性電子更加省電，都是現(xiàn)階段能進(jìn)一步節(jié)能減碳的策略。而要做到這些，現(xiàn)有的矽基元件在某些應(yīng)用中不是做不到，就是成本與效能會(huì)大幅增加，而SiC元件在功率密度、易于使用、強(qiáng)健性，以及可在高溫下運(yùn)作等特性皆優(yōu)于GaN與矽元件，因此SiC目前普遍被應(yīng)用于高壓和須高開關(guān)頻率的系統(tǒng)中。

矽、SiC、GaN特性與定位。(來源：英飛凌)

安世半導(dǎo)體(Nexperia)行銷經(jīng)理鐘升文說明，SiC是相當(dāng)堅(jiān)硬的物質(zhì)，但由于其與矽相比，良率不高(與矽相比，矽有1KK產(chǎn)出時(shí)，SiC僅100K的量)、產(chǎn)出時(shí)間長(長晶速度慢)，再加上基板供應(yīng)掌握在少數(shù)幾家業(yè)者中，因此不僅價(jià)格相對(duì)較高，且這樣堅(jiān)硬的材料在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與相關(guān)電力電子應(yīng)用中并未普及。

然而在800~900V以上的高壓系統(tǒng)及高頻切換應(yīng)用中，SiC的優(yōu)勢則可盡顯。鐘升文舉例，在高功率應(yīng)用中，SiC可提升轉(zhuǎn)換效率；在大于1,200V的高壓系統(tǒng)中，SiC的可靠度、穩(wěn)定性與效率皆較矽元件表現(xiàn)要佳，不過受限于SiC的價(jià)格仍較高，因此目前業(yè)者逐漸在電動(dòng)車、充電樁、工具機(jī)、機(jī)械手臂…等單價(jià)較高的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)用SiC。

專攻SiC MOSFET產(chǎn)品開發(fā)的強(qiáng)茂(PANJT International)主任工程師黃朝新表示，SiC元件的目標(biāo)市場含消費(fèi)性電子/電源供應(yīng)器、車用、工業(yè)，以及高于1,700V的再生能源發(fā)電設(shè)備、電網(wǎng)與交通軌道設(shè)施等重電應(yīng)用。鎖定較高價(jià)值的車用、工業(yè)大功率應(yīng)用，目前強(qiáng)茂的SiC元件包括已經(jīng)開發(fā)到第二代的650V/1,200V SiC二極體，以及初代650V/1,200V SiC MOSFET，并持續(xù)進(jìn)行更高性能、小型化的產(chǎn)品研發(fā)，例如可降低阻抗的薄化晶圓技術(shù)以及溝槽式SiC MOSFET。

強(qiáng)茂專攻大功率應(yīng)用SiC二極體/MOSFET元件。(來源：強(qiáng)茂)

GaN馳騁消費(fèi)市場

從半導(dǎo)體材料的特性來看，英飛凌應(yīng)用工程師楊東益指出，GaN在400V電壓時(shí)，其Rdson無法及時(shí)脫離電子堆積狀況，導(dǎo)致GaN元件會(huì)出現(xiàn)電流塌陷的問題，是該元件無法應(yīng)用于更高壓應(yīng)用的主因之一。也因此，具備高開關(guān)頻率、可進(jìn)一步將裝置體積縮小的GaN元件，在消費(fèi)性電子快充領(lǐng)域才能快速攻城掠地。

半導(dǎo)體材料特性。(來源：英飛凌)

不過，由于GaN元件在圖騰柱設(shè)計(jì)上具備絕對(duì)優(yōu)勢，因此GaN仍在其目前主要的消費(fèi)性電子快充相關(guān)應(yīng)用上，將觸角逐漸延伸到工業(yè)與汽車領(lǐng)域中。安世半導(dǎo)體應(yīng)用工程師丁一?表示，在工業(yè)等級(jí)應(yīng)用，GaN可讓伺服器、儲(chǔ)存裝置與電信設(shè)備的高階電力電力系統(tǒng)具備更高效率、更高功率密度。不僅如此，在電池儲(chǔ)存與USP逆變器中，GaN可提升功率密度，并減少輸出濾波器的尺寸；伺服驅(qū)動(dòng)器則因GaN元件改善了電流波型，進(jìn)而使馬達(dá)損耗與雜訊更低。

事實(shí)上，在任何應(yīng)用中，高效能意味著更高的功耗。GaN System亞洲總經(jīng)理暨全球營運(yùn)副總裁柯宇軒舉例，CPU效能提升兩倍，硬體裝置的功耗隨即增加71%；GPU效能提升兩倍，硬體功耗則將增加50%。換句話說，資料中心是迫切需要「綠化」的用電大戶，在其中的GPU、CPU與記憶體效能的提高，都會(huì)讓資料中心的用電量快速攀升，需要更大型的冷卻系統(tǒng)降低發(fā)熱。

處理器與記憶體效率越高，硬體裝置運(yùn)作時(shí)則將消耗更多電力。(來源：GaN System)

這也推動(dòng)電源供應(yīng)器需要朝更高效率與功率密度，以及更小尺寸、高壓的趨勢發(fā)展?？掠钴幷J(rèn)為，若在資料中心架構(gòu)中改采GaN，無論是12V或是新興的48V架構(gòu)，GaN員在可讓AC/DC電源供應(yīng)器，不但可獲得最佳效率，還能將尺寸縮至最小，同時(shí)還具高能源密度，并擁有每密度最低的成本。而與矽基元件打造的系統(tǒng)相比，GAN電源供應(yīng)器在相同的資料中心機(jī)柜尺寸，可放入34臺(tái)伺服器，需6個(gè)電源供應(yīng)器供電；然而矽基元件僅可放入30臺(tái)伺服器，卻需要10個(gè)電源供應(yīng)器。

宜普電源轉(zhuǎn)換(EPC)執(zhí)行長 Alex Lidow指出，GaN元件可以比矽元件更高效地傳導(dǎo)電子，可以承受更高的電場，且在速度、溫度、功率方面，超越矽元件的性能，因此目前已被導(dǎo)入多種包括車輛與工業(yè)相關(guān)應(yīng)用中，例如馬達(dá)控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和光達(dá)(LiDAR)、車內(nèi)OBC系統(tǒng)…等。在馬達(dá)控制和DC/DC轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，未來的發(fā)展藍(lán)圖需要實(shí)現(xiàn)更高的功率密度；而對(duì)于光達(dá)應(yīng)用來說，需要實(shí)現(xiàn)更快的速度。更重要的是，在上述所有應(yīng)用，都需要對(duì)GaN、矽元件的功能和特性進(jìn)行策略整合。

為什么需要整合？Lidow認(rèn)為，整合可以帶來諸多好處，包括效率、成本、尺寸及重量、EMI等方面，這是傳統(tǒng)矽MOSFET所無法達(dá)到的。除此之外，經(jīng)過整合的eGaN電晶體，和矽功率MOSFET元件的行為非常相似，所以功率系統(tǒng)工程師可以在最少的額外培訓(xùn)下，利用過往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，即可發(fā)揮氮化鎵元件的優(yōu)勢。

寬能隙元件在5G通訊基礎(chǔ)設(shè)施、綠色資料中心、電動(dòng)車與充電樁、醫(yī)療…等領(lǐng)域大放異彩，這是否意味著SiC及GaN未來是否將取代矽元件？業(yè)者們紛紛表示，三者將共存。楊東益認(rèn)為，矽、SiC及GaN都有其獨(dú)特，且是目前任何一種材料都無法取代的優(yōu)勢，如矽基元件就是單價(jià)低、生產(chǎn)量大，因此業(yè)者在選擇采用哪一種元件時(shí)，應(yīng)從應(yīng)用的需求去找出「最佳解」。

新材料衍生測試新挑戰(zhàn)

寬能隙半導(dǎo)體在全球提倡環(huán)保、節(jié)能的大風(fēng)潮下，為讓業(yè)者能順利因應(yīng)接踵而來的各種法規(guī)，一時(shí)之間成為顯學(xué)，雖然不至于全面取代傳統(tǒng)矽功率元件，但SiC、GaN等新的材料，也為功率半導(dǎo)體測試帶來新挑戰(zhàn)。太克科技(Tektronix)資深技術(shù)顧問陳思豪表示，由于具有高的電子遷移率、高崩潰電壓的特征，更適合在高功率、高頻率下操作，因此寬能隙半導(dǎo)體是未來半導(dǎo)體的重要趨勢之一。從SiC、GaN功率模組內(nèi)部節(jié)溫的變化，以及在各種應(yīng)用、模組、裝置、轉(zhuǎn)換器等層級(jí)來看，采用SiC、GaN，帶來的改變，就會(huì)衍生出一個(gè)新的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此有效的測試SiC和GaN等寬能隙半導(dǎo)體打造的功率元件、系統(tǒng)，會(huì)是業(yè)者在市場能否成功的關(guān)鍵。

寬能隙半導(dǎo)體功率元件涉及多項(xiàng)測量，包括開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)、電容電壓與動(dòng)態(tài)特性，并需要電壓和電流偏置，以及電壓和電流測量來充分顯示元件的狀態(tài)、特性。陳思豪強(qiáng)調(diào)，除了動(dòng)態(tài)特性，關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)測試相當(dāng)重要，以免整個(gè)系統(tǒng)都發(fā)生問題，因此除了要選擇對(duì)的測試儀器，還需搭配專業(yè)的測試軟體，才能全面地驗(yàn)證寬能隙半導(dǎo)體元件所打造的系統(tǒng)是否萬無一失。

SiC和GaN的可能應(yīng)用。(來源：太克科技)

寬能隙半導(dǎo)體材料高崩潰電場(breakdown electric field)的特性也會(huì)為功率晶體可靠度帶來挑戰(zhàn)；專長材料分析的泛銓科技(MSS)技術(shù)行銷處處長張仕欣表示，要降低電場強(qiáng)度以提升元件可靠度，就要減少閘極氧化絕緣層厚度以降低通道電阻值，因此寬能隙功率元件的結(jié)構(gòu)會(huì)從平面式朝向非對(duì)稱溝槽式或是雙溝槽式發(fā)展。

而由于通道電阻與擴(kuò)散層分布息息相關(guān)，對(duì)功率晶體設(shè)計(jì)工程師來說，取得擴(kuò)散層資訊是相當(dāng)重要的任務(wù)；為此泛銓提供利用先進(jìn)場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FESEM)進(jìn)行的擴(kuò)散層分析方法，以提供高精度、高解析度、高穩(wěn)定性的結(jié)果。張仕欣指出，透過截面結(jié)構(gòu)觀察、擴(kuò)散層分析，以及結(jié)合SE、CL與TEM等工具，可快速鑒定材料缺陷的微結(jié)構(gòu)與缺陷分析方法，協(xié)助開發(fā)者對(duì)寬能隙半導(dǎo)體材料有更清晰的了解。

以FESEM進(jìn)行的寬能隙元件擴(kuò)散層分析影像。(來源：泛銓科技)

德凱宜特(DEKRA iST)零組件工程部經(jīng)理陳冠瑋則分享了寬能隙功率元件在進(jìn)行車用可靠度驗(yàn)證時(shí)需特別關(guān)注的測試項(xiàng)目；他指出，隨著車輛電動(dòng)化趨勢成為主流，除了車輛本身的電力電子模組(PEM)，車載充電器、快速充電樁以及車用無線充電系統(tǒng)等電動(dòng)車周邊基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)具備高壓應(yīng)用優(yōu)勢的SiC、GaN功率半導(dǎo)體元件之需求將持續(xù)增加。但陳冠瑋也警告，為了因應(yīng)大量市場需求，相關(guān)廠商在積極快速開發(fā)產(chǎn)品的同時(shí)，很可能會(huì)忽略這類元件的可靠性測試重要性；這將造成不可預(yù)期災(zāi)害，特別是在人命攸關(guān)的車用領(lǐng)域。

陳冠瑋表示，適用車用寬能隙功率元件的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以美國汽車電子協(xié)會(huì)(AEC)旗下AEC-Q101離散半導(dǎo)體元件應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲電力電子中心(ECPE)旗下針對(duì)車輛電力電子轉(zhuǎn)換器單元(PCU)功率模組的AQG 324可靠度驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)為兩大主流。而車用MOSFET等功率元件要取得這兩大標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，主要需通過間歇性操作壽命測試(IOL)觀察材料品質(zhì)變異后的熱阻(RTH)與接面溫度，特別是功率元件各層接觸面與溫度劇烈變化處在熱應(yīng)力破壞下的影響。而他強(qiáng)調(diào)，各種不同寬能隙半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)大不相同，測試程序以及結(jié)果分析會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，然而透過專業(yè)測試實(shí)驗(yàn)室伙伴的協(xié)助，將可大幅簡化相關(guān)任務(wù)，加速進(jìn)軍車用供應(yīng)鏈的時(shí)程。

AEC-Q101 (右)與AQG 324可靠度驗(yàn)證測試項(xiàng)目。(來源：DEKRA iST)

針對(duì)具備優(yōu)異材料特性而逐漸擴(kuò)展應(yīng)用版圖的GaN功率元件，品勛科技技術(shù)顧問暨宏汭精測科技總經(jīng)理林明正則著眼于工業(yè)、車輛等大功率應(yīng)用對(duì)元件耐用性與可靠度的更高要求，指出該類元件在測試上需要克服的一大挑戰(zhàn)。他表示，矽基GaN材料的缺陷(即trapping效應(yīng))使一般矽晶片使用的靜態(tài)量測與可靠性評(píng)估不足以代表該類元件在真實(shí)系統(tǒng)中的表現(xiàn)，需要利用動(dòng)態(tài)量測與可靠度分析來協(xié)助元件正確評(píng)估GaN功率元件的損耗與老化速度；這也將會(huì)是GaN邁向更廣泛應(yīng)用的「最后一哩」。

林明正進(jìn)一步解釋，GaN材料缺陷會(huì)帶來導(dǎo)通電阻(RDSon)、電壓(Vth/Vsd)與產(chǎn)品使用壽命等方面的不穩(wěn)定性。透過專利的動(dòng)態(tài)參數(shù)分析系統(tǒng)，可在元件hard/soft-switching操作狀態(tài)下執(zhí)行多個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)的分析，閘級(jí)操作電壓可在-12~12V之間連續(xù)變化，并根據(jù)待測元件的額定功率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，此外亦可獨(dú)力測試溫度、電壓、電流、頻率、開關(guān)比(Duty)等參數(shù)，可協(xié)助開發(fā)者準(zhǔn)確掌握GaN元件應(yīng)用可靠度。

臺(tái)灣寬能隙半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前景可期

經(jīng)濟(jì)部工業(yè)局智慧電子產(chǎn)業(yè)計(jì)劃推動(dòng)辦公室主任胡紀(jì)平表示，眾所周知，化合物半導(dǎo)體在電動(dòng)車領(lǐng)域中扮演重要角色，然而化合物半導(dǎo)體如何電動(dòng)車或是其他應(yīng)用更緊密的結(jié)合，是各相關(guān)業(yè)者思考的重點(diǎn)。為協(xié)助業(yè)者能進(jìn)一步「善用」化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢，并將其導(dǎo)入制設(shè)計(jì)及產(chǎn)品中，經(jīng)濟(jì)部工業(yè)局預(yù)計(jì)在今年6月成立化合物半導(dǎo)體辦公室，并邀集相關(guān)業(yè)者成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以期能透過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的力量介接化合物半導(dǎo)體上下游產(chǎn)業(yè)的串聯(lián)，并扶植臺(tái)灣系統(tǒng)整合(SI)、傳產(chǎn)業(yè)者進(jìn)一步轉(zhuǎn)型，最終能將化合物半導(dǎo)體新的生態(tài)系統(tǒng)輸出國際。