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功率半导体元件的主流争霸战
矽、碳化矽、氮化??的三角习题

【作者: 季平】2022年07月26日 星期二

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功率半导体元件与电源、电力控制应用有关,特点是功率大、速度快,有助提高能源转换效率,多年来,功率半导体以矽(Si)为基础的晶片设计架构成为主流,碳化矽(SiC)、氮化??(GaN)等第三类半导体材料出现,让功率半导体元件的应用更为多元,效率更高。


MOSFET与IGBT双主流各有痛点

高功率元件应用研发联盟秘书长林若??博士(现职为台湾经济研究院研究一所??所长)指出,功率半导体元件是电源及电力控制应用的核心,具有降低导通电阻、提升电力转换效率等功用,其中又以MOSFET(金属氧化半导体场效电晶体)与IGBT(绝缘闸双极电晶体)的应用范围最为重要,两者各有优势及不足。


MOSFET扮演电源电子控制的角色,依导电特性与通道差异,又可分为NMOS(N-type MOS)、PMOS(P-type MOS)、CMOS(Complementary MOS),在大功率半导体领域中,各种结构的MOSFET发挥不同作用。IGBT元件为复合式构造,输入端为MOSFET构造,输出端为BIPOLAR构造,具备低饱和电压、快速切换等特性,但切换速度逊於MOSFET。


传统以矽(Si)材料为基底的IGBT主要特性为耐高压、高电流,多应用於大功率、大电流的电力设备或电力基础设施,如铁路电网、风力发电机等,缺点是比较无法缩装;MOSFET的特性为驱动电流小,多应用於变频导向的3C设备或消费性3C产品,如手机充电器、小家电产品的变压器等,缺点是无法承受过大的电压、电流。


在技术发展及应用上,MOSFET与IGBT各有痛点待克服。矽(Si)材料因物理性能限制,在高电压时,耐受性差、转换效率不隹,而且有散热问题,无法完全应付推陈出新的电子电力产品需求,加上全球暖化日益严重,各国能源政策积极朝净零碳排(Net Zero)目标前进,大家关注的重点是如何「更节能、更省能」,此外,因应时代需求,人们追求短、小、轻、薄及好携带,如何让产品缩装也是一大课题。


第三类化合物半导体提供更多选择

第三类化合物半导体-碳化矽(SiC)、氮化??(GaN)两种材料兴起,有助解决传统矽基元件遭遇的困境。第三类化合物半导体具备耐高温、耐大电压、快速作动等特性,可以广泛应用於高功率、高频和高温电子电力系统,如电动车及电动车充电设备、大型风力发电机、太阳能板逆变器、资料中心、手机快充、太空卫星、行动基地台等领域。


碳化矽(SiC)最大的优势在於高温与高崩溃电压耐受力;氮化??(GaN)的稳定性高,熔点高达1700度,除了稳定性、耐高温、耐高压等优势,同时拥有良好的导电性与导热性,多应用於变压器和充电器等领域,如需要较大电压的笔电、平板,以及需要较小电压的手机和手表充电产品,能有效缩短充电时间。氮化??(GaN)元件的切换速度是矽基元件的10倍以上,相较於Si,更适合高频率、高效率的电子产品,包含5G产品。


图一 : 小米生产的GaN 65W快充充电器。(source:小米)
图一 : 小米生产的GaN 65W快充充电器。(source:小米)

随着2050年净零碳排(Net Zero)目标逼近,各国在交通政策与产业推动上都朝燃油车电气化的方向迈进,带动整体电动车产业。碳化矽(SiC)与氮化??(GaN)能同时应用於汽车产业,尤其碳化矽(SiC)在车载领域及可靠性上更具优势,在电动车的系统应用方面主要包含逆变器、车载充电器(OBC)及直流变压器等。相较於传统矽基模组效能,碳化矽(SiC)可减少约50%的电能转换损耗,降低约20%的电源转换系统成本,提升电动车约4%的续航力。


龙头大厂带动第三代半导体产能

电动车的充电设备及充电基础设施都需要更高效能的元件。林若??指出,碳化矽(SiC)元件市场主要由汽车产业主导,比方特斯拉(Tesla)电动车款Model 3率先应用意法半导体生产的SiC MOSFET,带动多家电动车厂商导入SiC材料。Model 3驱动逆变器(Traction Inverter)部分舍弃传统绝缘栅双极电晶体(IGBT),率先引入碳化矽(SiC)金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET),开启全球第三类半导体扩产潮。至於氮化??(GaN)功率元件市场则由消费性产品(如手机快充)、电信/通讯(如资料中心、太空卫星通讯)及汽车产业(如电动车内较小电压的DC-DC converter)所带动。


Yole Developpement研究机构报告指出,2020-2026年采用碳化矽(SiC)作为功率半导体材料的市场规模成长至45亿美元,氮化??(GaN)功率半导体市场规模达11亿美元。预估2027年碳化矽(SiC)功率元件市场规模可达63亿美元,氮化??(GaN)功率元件市场可达20亿美元;2021-2027年,整体氮化??(GaN)功率元件市场的复合年成长率(CAGR)为59%,碳化矽(SiC)功率元件市场的复合年成长率(CAGR)为34%。除了消费性电源大量采用氮化??(GaN)功率元件,氮化??(GaN)功率元件导入资料中心、电信设备电源的速度也愈来愈快。



图二 : 碳化矽功率半导体材料的市场规模预估。(source: Yole Developpemen)
图二 : 碳化矽功率半导体材料的市场规模预估。(source: Yole Developpemen)

图三 : 氮化??功率半导体材料的市场规模预估。(source: Yole Developpemen)
图三 : 氮化??功率半导体材料的市场规模预估。(source: Yole Developpemen)

知名业者如氮化??(Gan)功率IC龙头纳微半导体(Navitas)、美商Transphorm积极与半导体代工厂结盟,抢占市场,至於碳化矽(SiC)以IDM为主,重量级业者包含英飞凌(Infineon)、意法半导体(STMicroelectronics)、罗姆半导体(Rohm)等,其中,意法半导体同时跨足碳化矽(SiC)、氮化??(Gan)领域;英飞凌、安森美半导体(onsemi)则拥有Si、SiC、GaN三种功率技术。


8寸碳化矽晶圆成为兵家必争之地

看好第三代半导体未来发展,各大厂布局动作频频,如英飞凌今年2月宣布,投资20亿欧元提升第三代半导体的制造能力;安森美半导体宣布,2024年起碳化矽年销售额将达10亿美元,同时计划2025年前将碳化矽前道工艺?能扩大到目前的10倍以上,据传安森美与特斯拉已达成碳化矽(SiC)长期协议。


氮化??功率半导体全球领导者GaN Systems指出,全氮化??车辆有助改善全球暖化问题,提早达成净零碳排目标。电动车的逆变器可将电池中的直流电转换为交流电,使用GaN晶体管可获得更高的能源效率,行驶里程延长5%以上。有监於GaN Systems产品应用在消费电子、电动汽车、数据中心和工业电源等领域日益广泛,今年2月GaN Systems宣布,扩大3倍台湾的营运团队规模。



图四 : 全氮化??车辆实现净零碳排(Net Zero)目标。(Source:GaN Systems)
图四 : 全氮化??车辆实现净零碳排(Net Zero)目标。(Source:GaN Systems)

市场预估,未来8寸晶圆及基板可能成为兵家必争之地。除了沃孚半导体、罗姆半导体、Ⅱ-Ⅵ已推出8寸碳化矽基板,英飞凌、意法半导体、安森美等大厂也积极布局8寸碳化矽晶圆产线。



图五 : 未来8寸晶圆及基板可能成为兵家必争之地。(Source:Wolfspeed)
图五 : 未来8寸晶圆及基板可能成为兵家必争之地。(Source:Wolfspeed)

大规模商业化之前先降低成本

不过,第三类化合物半导体在技术发展及应用上并非全无缺点,「第三类半导体因技术发展限制,成本尚未达到甜蜜点,而且各半导体有适合的应用范畴,无法大量取代矽基半导体市场。」


林若??进一步说明,碳化矽成本高居不下,主因在於基板和磊晶的制程困难,直到现在,碳化矽晶圆的成本仍占碳化矽元件的6成左右,需要发展更先进的技术与制程,才能因应日渐提升的碳化矽产能。氮化??目前以发展水平式元件为主,但水平式GaN磊晶於矽基板上,做到大尺寸晶圆容易裂掉,而晶圆尺寸无法做大也意味着成本难以降低。


目前看来,第三类化合物半导体似??较矽基半导体更符合新兴产业与电子产品需求,如电动车产业为了追求更高效能、更快的充电时间、更长的里程数,以及产品体积及重量更为轻巧,愈来愈多车厂导入SiC材料,并以SiC MOSFET取代传统矽基的IGBT。至於消费性3C产品,可以看到GaN MOSFET逐渐取代Si MOSFET,这些变化都是为了使电子产品更节能,达净零碳排目的。


IGBT、MOSFET、SiC、GaN的未来

随着5G、高阶手机等消费性电子产品及电动车、绿能蓬勃发展,电源元件的高功率与高压等需求势必愈来愈重要,未来,IGBT、MOSFET、SiC、GaN元件的发展可能出现何种变数?


对此,林若??透过Navitas发布的产品资讯进一步说明,相较於传统Si元件,一般电厂於电网到发电站(如火力、风力、太阳能等发电)间,若全数改用GaN功率元件作为能源转换器(逆变器与转换器),可有效降低4-10倍的碳足迹,若沿用至2050年,每年将省下26亿吨的CO2排放量。如今,多数电源元件都朝「节能、缩装」的目标前进,未来第三类半导体的出海囗,在碳化矽的部分主要是由电动车产业带动,以及再生能源与智慧电网等基础电力设备;氮化??功率元件可以应用於消费性产品、太空卫星通讯或各国资料中心。


各国都希??掌握这些战略物资,但是,晶圆的制作成本占比高,如能将晶圆尺寸做大,达到大规模商业化,必能使碳化矽及氮化??的市场更为扩大。2022年4月,碳化矽晶圆龙头厂商沃孚半导体(Wolfspeed)已於美国纽约成立全球首座200mm SiC厂,也是最大的8寸碳化矽(SiC)晶圆厂,以扩大制造产能。未来,随着第三类半导体材料可应用的产品比例增加,可以减少更多能源浪费,落实节能减碳。


林若??认为,各类型的半导体有其适合应用之处,未来不论是矽基的IGBT、MOSFET或是以SiC为基底的IGBT、MOSFET,都会根据所需效能及材料特性,找到适合的应用场域。以电动车来说,SiC逆变器(Inverter)可耐高压、大电流,是电动车电池动力提升的关键,目前主流为800V的碳化矽元件电动车,电动车电压越高,越能节省充电时间,提高电动车的续航力;1200V或许未来有机会应用於电动车,而1700V及3300V的碳化矽元件可应用於风力发电或电网传输上。氮化??使用於电子设备,可以达到更隹的变频效果,汽车的DC-DC converter或是雷达侦测端等设备运作需要电流快速转换,这部分就适合采用氮化??材料作为主要应用。


押宝次世代功率半导体

TrendForce研究预估,2022年车用SiC功率元件市场规模达10.7亿美元,2026年将攀升至39.4亿美元。工研院产科国际所(IEK)调查报告指出,全球化合物半导体市值预计2025年将达1,780亿美元,化合物半导体市场规模虽不如第一类矽基半导体,但年复合年成长率高於第一类半导体。随着智慧型手机3D感测、电动车及5G需求爆发,电动车半导体功率元件需要更高的转换效率,承受更高的电压,第三类化合物半导体(如GaN、SiC)相较於第二类化合物半导体(如GaAs、InP)、第一类矽基半导体更为适合。


整体而言,次世代功率半导体(如SiC、GaN、Ga2O3等)的性能优於矽(Si),尤其是SiC功率半导体,受惠於资通讯、能源、汽车/电子设备需求强劲,身价水涨船高。日本富士经济特别针对电动车与可再生能源相关的功率半导体全球市场进行调查,由於2030年碳中和及2050年净零碳排目标逼近,加上电动车与可再生能源的普及率明显提升,预估2030年市场规模可达5兆3,587亿日圆,推升次世代功率半导体需求,规模可??逾1兆日圆。若以每台电动车需使用250个功率半导体元件计算,化合物半导体的市场规模成长性令人期待。


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