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系列研討會首度以WBG元件為題，邀請業(yè)界重量級業(yè)者，從設(shè)計、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。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。事實上，半導(dǎo)體元件及電子產(chǎn)品的制造過程與使用，都相當耗電，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)已大力推動電動車(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、達到碳中和，而要協(xié)助產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)這些目標，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》團隊主辦的TechTaipei「寬能隙元件技術(shù)暨未來應(yīng)用趨勢研討會」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，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車。不過，莊淵棋提醒，雖然電動車被視為「環(huán)?！沟慕煌üぞ?，但電動車顧名思義就是需要電力才能「跑動」，若是電池組的電力消耗太快，時時需要充電，對電力的需求將是大增。因此從另一個角度來說，電動車并不是那么環(huán)保的產(chǎn)品。

有鑒于此，在消費者與車廠關(guān)注如何增加電動車行駛距離、提高電池電力儲存之外，也必須思考電動車的電池系統(tǒng)如何更有效率，讓電動車成為名副其實的節(jié)能環(huán)保應(yīng)用。不只電動車，包括資料中心在內(nèi)的電子產(chǎn)品也是耗電大戶，現(xiàn)今各國都已針對資料中心耗電的部分制定規(guī)范，車廠亦制定電動車減碳、達碳中和的目標，莊淵棋認為，若要讓資料中心擺脫用電大戶的惡名，以及讓電動車更為節(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)電動車主因，而在特斯拉(Tesla)率先將電動車供電系統(tǒng)從650V朝1,200V系統(tǒng)發(fā)展時導(dǎo)入SiC，凸顯SiC元件為電動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、可于高頻運作…等優(yōu)勢，也打進車輛OBC、光達(LiDAR)系統(tǒng)等應(yīng)用中。陳仕誠指出，針對各國節(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、資料中心與再生能源等三大耗電大戶進一步達標，看準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)、消費性電子/資料中心、太陽能/風能轉(zhuǎn)換等「耗電大戶」應(yīng)用中，可省下的電力相當驚人；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，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)理陳清源認為，取得更多太陽能與風力發(fā)電所產(chǎn)生的再生能源，提高系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換效率，以及促使消費性電子更加省電，都是現(xiàn)階段能進一步節(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，就是成本與效能會大幅增加，而SiC元件在功率密度、易于使用、強健性，以及可在高溫下運作等特性皆優(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是相當堅硬的物質(zhì)，但由于其與矽相比，良率不高(與矽相比，矽有1KK產(chǎn)出時，SiC僅100K的量)、產(chǎn)出時間長(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，因此不僅價格相對較高，且這樣堅硬的材料在半導(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的價格仍較高，因此目前業(yè)者逐漸在電動車、充電樁、工具機、機械手臂…等單價較高的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)用SiC。

專攻SiC MOSFET產(chǎn)品開發(fā)的強茂(PANJT International)主任工程師黃朝新表示，SiC元件的目標市場含消費性電子/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。鎖定較高價值的車用、工業(yè)大功率應(yīng)用，目前強茂的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。

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

GaN馳騁消費市場

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，其Rdson無法及時脫離電子堆積狀況，導(dǎo)致GaN元件會出現(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、可進一步將裝置體積縮小的GaN元件，在消費性電子快充領(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)計上具備絕對優(yōu)勢，因此GaN仍在其目前主要的消費性電子快充相關(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)等級應(yīng)用，GaN可讓伺服器、儲存裝置與電信設(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)動器則因GaN元件改善了電流波型，進而使馬達損耗與雜訊更低。

事實上，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，硬體裝置運作時則將消耗更多電力。(來源：GaN System)

這也推動電源供應(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。柯宇軒認為，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柜尺寸，可放入34臺伺服器，需6個電源供應(yīng)器供電；然而矽基元件僅可放入30臺伺服器，卻需要10個電源供應(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，例如馬達控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和光達(LiDAR)、車內(nèi)OBC系統(tǒng)…等。在馬達控制和DC/DC轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，未來的發(fā)展藍圖需要實現(xiàn)更高的功率密度；而對于光達應(yīng)用來說，需要實現(xiàn)更快的速度。更重要的是，在上述所有應(yīng)用，都需要對GaN、矽元件的功能和特性進行策略整合。

為什么需要整合？Lidow認為，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下，利用過往的設(shè)計經(jīng)驗，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。楊東益認為，矽、SiC及GaN都有其獨特，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低、生產(chǎn)量大，因此業(yè)者在選擇采用哪一種元件時，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)，一時之間成為顯學，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)換器等層級來看，采用SiC、GaN，帶來的改變，就會衍生出一個新的技術(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測量，包括開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)、電容電壓與動態(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。陳思豪強調(diào)，除了動態(tài)特性，關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)測試相當重要，以免整個系統(tǒng)都發(fā)生問題，因此除了要選擇對的測試儀器，還需搭配專業(yè)的測試軟體，才能全面地驗證寬能隙半導(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)會從平面式朝向非對稱溝槽式或是雙溝槽式發(fā)展。

而由于通道電阻與擴散層分布息息相關(guān)，對功率晶體設(shè)計工程師來說，取得擴散層資訊是相當重要的任務(wù)；為此泛銓提供利用先進場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(FESEM)進行的擴散層分析方法，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)者對寬能隙半導(dǎo)體材料有更清晰的了解。

以FESEM進行的寬能隙元件擴散層分析影像。(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行車用可靠度驗證時需特別關(guān)注的測試項目；他指出，隨著車輛電動化趨勢成為主流，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)等電動車周邊基礎(chǔ)設(shè)施，對具備高壓應(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，很可能會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準規(guī)范，以美國汽車電子協(xié)會(AEC)旗下AEC-Q101離散半導(dǎo)體元件應(yīng)力測試標準，與歐洲電力電子中心(ECPE)旗下針對車輛電力電子轉(zhuǎn)換器單元(PCU)功率模組的AQG 324可靠度驗證標準為兩大主流。而車用MOSFET等功率元件要取得這兩大標準認證，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)果分析會相當復(fù)雜，然而透過專業(yè)測試實驗室伙伴的協(xié)助，將可大幅簡化相關(guān)任務(wù)，加速進軍車用供應(yīng)鏈的時程。

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

針對具備優(yōu)異材料特性而逐漸擴展應(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)量測與可靠性評估不足以代表該類元件在真實系統(tǒng)中的表現(xiàn)，需要利用動態(tài)量測與可靠度分析來協(xié)助元件正確評估GaN功率元件的損耗與老化速度；這也將會是GaN邁向更廣泛應(yīng)用的「最后一哩」。

林明正進一步解釋，GaN材料缺陷會帶來導(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)行多個動態(tài)參數(shù)的分析，閘級操作電壓可在-12~12V之間連續(xù)變化，并根據(jù)待測元件的額定功率進行適當調(diào)整，此外亦可獨力測試溫度、電壓、電流、頻率、開關(guān)比(Duty)等參數(shù)，可協(xié)助開發(fā)者準確掌握GaN元件應(yīng)用可靠度。

臺灣寬能隙半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前景可期

經(jīng)濟部工業(yè)局智慧電子產(chǎn)業(yè)計劃推動辦公室主任胡紀平表示，眾所周知，化合物半導(dǎo)體在電動車領(lǐng)域中扮演重要角色，然而化合物半導(dǎo)體如何電動車或是其他應(yīng)用更緊密的結(jié)合，是各相關(guān)業(yè)者思考的重點。為協(xié)助業(yè)者能進一步「善用」化合物半導(dǎo)體的優(yōu)勢，并將其導(dǎo)入制設(shè)計及產(chǎn)品中，經(jīng)濟部工業(yè)局預(yù)計在今年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)，并扶植臺灣系統(tǒng)整合(SI)、傳產(chǎn)業(yè)者進一步轉(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。