罗姆等带动SiC市场起飞,氮化镓还只能在低功率市场玩玩?

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有鉴于全球环保意识抬头,碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)两种功率转换材料备受瞩目。其中,碳化硅掌握早期开发优势,其功率模组在再生能源与车用电子领域,商机已纷纷涌现。而主要锁定低功率市场的氮化镓,则将缓步进军中功率市场。

可以弥补天然能源不足缺口的再生能源设备,为聚焦于中功率、高功率应用的碳化硅创造大量需求。另一方面,近期丰田汽车(Toyota)在电动车中导入碳化硅SiC)元件的测试结果也已出炉,其在改善能源效率、缩小电源控制系统(PCU)尺寸上的效果,明显胜过碳化硅元件。

 

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图1 Toyota碳化硅测试用车

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。

并购Wolfspeed 英飞凌强化碳化硅事业

主要受益于碳化硅技术的领域除了再生能源,还有车用电子。在此趋势的推波助澜下,功率半导体供应领导厂商英飞凌(Infineon),今年7月以8.5亿美元大举并购Cree旗下的Wolfspeed功率与射频(RF)部门,并且明确表示,碳化硅晶片未来将逐渐与硅晶片并驾齐驱,尤其是在电动及混合动力汽车市场上。

Wolfspeed是SiC功率及GaN-on-SiC射频功率解决方案的主要供应商,其核心能力包括碳化硅晶圆基板制造以及射频功率应用的碳化硅单晶氮化镓层,英飞凌计画在2016年底前完成这项交易,藉以协助英飞凌扩大在物联网、电动车以及再生能源等全球快速成长市场领域的布局。

然而,丰田汽车(Toyota)也随之在测试结果中证明,在电动车中导入碳化硅,表现明显胜过于硅元件。Toyota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。

滨田公守进一步指出,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。在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。

不仅如此,罗姆(ROHM)也于日前宣布与Venturi电动方程式赛车车队(Venturi Formula E Team),缔结为期3年的技术夥伴契约,该车队长期参与FIA电动方程式赛车锦标赛。自10月9日开幕的第3季起,罗姆将提供碳化硅(SiC)功率元件,运用在赛车马力核心的变流器中,协助赛车小型化、轻量化和高效率化。

该公司于2010年开始量产SiC MOSFET,并持续研发先进元件。汽车领域方面,急速充电用的车用充电器,获得相当高的市占率,碳化硅使用在电动汽车(EV)马达和变流器也迅速普及。

和传统赛车不同之处在于,电动方程式赛车的管理电力能力非常重要,如何有效率地活用电池储备的电力,左右了赛事的胜败。

Venturi Formula E Team技术长Franck Baldet表示,电动方程式赛车的本质就是管理电力。能与罗姆缔结合作关系,将能够带动赛车的整个电力系统进化,进一步提升马达的速度。

ROHM离散式元件制造本部兼模组制造本部董物东克己表示,非常期待日后能在跑道上证明我们公司产品的品质和效率。近期SiC功率元件,可望进一步活跃于油电混合车和电动汽车领域。罗姆希望能对多种产业、社会更多领域,提供更具经济效益的技术,并在转换能源政策上位居重要的地位。

分立元件方便性不足 功率模组声势看涨

针对碳化硅将大幅增强对功率模组(Power Module)需求的部分,张育铭表示,采用功率模组的原因在于,如果使用分立元件(Discrete)的话,工程师就必须自行并联,得考量到IGBT、MOSFET参数是否一致,对设计公司来讲,是不切实际的,因此须要模组厂商来解决这个问题。

碳化硅是一种特别的多晶体材料,常见的有4H-SiC、6H-SiC、15R和3C,碳和硅的比都是1:1,但是在这个基础上,可以形成200多种晶体结构,其中4H最适合用来做垂直型功率元件,而里面最稳的就是3C结构,再搭配斜切角度的基板(Substrate),来进行晶圆的外延伸长(图2)。

 

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图2 碳化硅材料以4H-SiC为基板,进行晶圆外延伸长

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寸晶圆,而6寸的市场需求量也越来越高,不过从4寸到6寸的转变并没有预期的快,虽然6寸的价格成本更有优势,但主要问题在于6寸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寸的商机仍是可期的。 除了碳化硅元件备受瞩目,拥有中、低功率应用优势的氮化镓(GaN)元件也紧追在后。

Yole Developpement功率电子暨化合物半导体事业单位经理Pierric GUEGUEN表示,由于对热管理和接面温度技术革新的高度需求,功率电子着实已成为材料创新应用的新兴领域,其中的碳化硅与氮化镓正在彻底改变整体的供应链与封装结构。

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。

2020年成长率将达83%氮化镓具高密度优势

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%,其中电源供应器将占相当大的一部份,近六成左右,而碳化矽同期的成长则相对缓慢,成长率约在21%左右。

GaN Systems亚洲高级营销总监Charles Bailley表示,就电学性质与物理特性来相比,氮化镓与碳化硅皆采宽带隙技术,碳化硅的热导率3.5W/m-K高于氮化镓1.5W/m-K,因此较适用于高功率应用。

Charles Bailley指出,不过,在二维电子气(Two Dimensional Electron Gas, 2DEG)的迁移率上,氮化镓(1800μ)明显略胜碳化硅(125μ)一筹(图3),此也是氮化镓能达到高效率和高电源密度的原因。

 

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图3 氮化镓在2DEG迁移率上的优势,是其拥有高电源密度的关键

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