博文 | 宽能隙元件建构高效节能绿世界

以碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)材料为主流的宽能隙(WBG)半导体功率元件，在节能永续意识抬头的今日成为各种电源系统应用的宠儿；2022年Tech Taipei系列研讨会首度以WBG元件为题，邀请业界重量级业者，从设计、制造、测试等不同面向与现场超过400位听众分享最新技术与应用趋势……

随着各国碳中和、净零关法规正式上路，节能减碳已不再只是口号。全球所谓的「用电大户」企业，也必须尽快开始审视其节能环保相关的举措，否则将影响未来产品销售与公司永续经营的契机。事实上，半导体元件及电子产品的制造过程与使用，都相当耗电，甚至半导体元件制程过程，不仅需要电力还需要大量洁净的水；另外，资料中心亦为耗费水与电力资源的大户。

这些用电大户们势必一同迈向未来节能永续、绿色环保世界的大道上。汽车产业已大力推动电动车(EV)的发展，再生、替代能源的使用，亦在电力领域逐渐位居要角，半导体、电子产品相关厂商也在致力降低碳排放、达到碳中和，而要协助产业实现这些目标，化合物半导体，尤其是宽能隙(WBG)元件将为关键。

绿能供应仍不足转换效率成解方

在2022年开春第一场由ASPENCORE旗下《EE Tmes Taiwan》与《EDN Taiwan》团队主办的TechTaipei「宽能隙元件技术暨未来应用趋势研讨会」中，GaN System业务开发副总裁庄渊棋表示，能源问题一直是人类发展过程中首要面对的大挑战，而这也衍生了电力供给的竞赛。根据EIA统计，到2025年全球总能源供给中，再生能源仅占40%；这也意味着还有60%需要倚赖传统的石化原料来发电，对于全球朝向节能减碳、环保永续的未来之路，设下了重大的阻碍。

也因此，许多能符合环保节能的应用才如此受到瞩目，例如不以石油作为燃料，可减少二氧化碳排放的电动车。不过，庄渊棋提醒，虽然电动车被视为「环保」的交通工具，但电动车顾名思义就是需要电力才能「跑动」，若是电池组的电力消耗太快，时时需要充电，对电力的需求将是大增。因此从另一个角度来说，电动车并不是那么环保的产品。

有鉴于此，在消费者与车厂关注如何增加电动车行驶距离、提高电池电力储存之外，也必须思考电动车的电池系统如何更有效率，让电动车成为名副其实的节能环保应用。不只电动车，包括资料中心在内的电子产品也是耗电大户，现今各国都已针对资料中心耗电的部分制定规范，车厂亦制定电动车减碳、达碳中和的目标，庄渊棋认为，若要让资料中心摆脱用电大户的恶名，以及让电动车更为节能，从能源系统下手，提高电力转换效率，即可进而降低资料中心冷却系统需求，促使资料中心能更加省电。

各种应用采用宽能矽半导体的优势。(来源：GaN System)

那么该如何提到电力系统的效率？答案就是碳化矽(SiC)、氮化镓(GaN)等宽能隙元件。鸿海研究院半导体研究所副组长陈仕诚表示，从Yole Développement统计资料可发现，燃油车占全球碳排放量的四分之一，这也是各国政府与车厂积极开发电动车主因，而在特斯拉(Tesla)率先将电动车供电系统从650V朝1,200V系统发展时导入SiC，凸显SiC元件为电动车电池带来的效率优势后，各大车厂也开始采用SiC。

将燃油车逐步替换为电动车，是降低碳排的有效方式。(来源：Yole Développement、鸿海研究院半导体研究所)

GaN虽然在高压系统应用方面有所不及，然而该化合物半导体以其可缩小装置体积、可于高频运作…等优势，也打进车辆OBC、光达(LiDAR)系统等应用中。陈仕诚指出，针对各国节能减碳的法规要求，化合物半导体可协助工业马达、资料中心与再生能源等三大耗电大户进一步达标，看准宽能隙元件带来的节能优势，许多应用也开始依其需求导入SiC与GaN元件。

电力相关应用SiC/GaN声势看涨

庄渊棋透过一张统计图表说明，为何宽能隙元件在目前各种电力系统相关应用中如此受瞩目。他指出，宽能隙半导体在工业、消费性电子/资料中心、太阳能/风能转换等「耗电大户」应用中，可省下的电力相当惊人；不仅如此，宽能隙半导体在系统体积、效率等方面也比矽元件更具优势。

不过，SiC和GaN虽然比矽元件具备更多优势，但仍有其不同特性与优缺点，以下分别介绍目前SiC与GaN元件擅长的应用。

SiC纵横高压领域

有鉴于现今电力的不足与节能减碳的议题受到全球重视，英飞凌(Infineon)电源及感测系统事业部资深协理陈清源认为，取得更多太阳能与风力发电所产生的再生能源，提高系统电力转换效率，以及促使消费性电子更加省电，都是现阶段能进一步节能减碳的策略。而要做到这些，现有的矽基元件在某些应用中不是做不到，就是成本与效能会大幅增加，而SiC元件在功率密度、易于使用、强健性，以及可在高温下运作等特性皆优于GaN与矽元件，因此SiC目前普遍被应用于高压和须高开关频率的系统中。

矽、SiC、GaN特性与定位。(来源：英飞凌)

安世半导体(Nexperia)行销经理钟升文说明，SiC是相当坚硬的物质，但由于其与矽相比，良率不高(与矽相比，矽有1KK产出时，SiC仅100K的量)、产出时间长(长晶速度慢)，再加上基板供应掌握在少数几家业者中，因此不仅价格相对较高，且这样坚硬的材料在半导体产业与相关电力电子应用中并未普及。

然而在800~900V以上的高压系统及高频切换应用中，SiC的优势则可尽显。钟升文举例，在高功率应用中，SiC可提升转换效率；在大于1,200V的高压系统中，SiC的可靠度、稳定性与效率皆较矽元件表现要佳，不过受限于SiC的价格仍较高，因此目前业者逐渐在电动车、充电桩、工具机、机械手臂…等单价较高的系统中转用SiC。

专攻SiC MOSFET产品开发的强茂(PANJT International)主任工程师黄朝新表示，SiC元件的目标市场含消费性电子/电源供应器、车用、工业，以及高于1,700V的再生能源发电设备、电网与交通轨道设施等重电应用。锁定较高价值的车用、工业大功率应用，目前强茂的SiC元件包括已经开发到第二代的650V/1,200V SiC二极体，以及初代650V/1,200V SiC MOSFET，并持续进行更高性能、小型化的产品研发，例如可降低阻抗的薄化晶圆技术以及沟槽式SiC MOSFET。

强茂专攻大功率应用SiC二极体/MOSFET元件。(来源：强茂)

GaN驰骋消费市场

从半导体材料的特性来看，英飞凌应用工程师杨东益指出，GaN在400V电压时，其Rdson无法及时脱离电子堆积状况，导致GaN元件会出现电流塌陷的问题，是该元件无法应用于更高压应用的主因之一。也因此，具备高开关频率、可进一步将装置体积缩小的GaN元件，在消费性电子快充领域才能快速攻城掠地。

半导体材料特性。(来源：英飞凌)

不过，由于GaN元件在图腾柱设计上具备绝对优势，因此GaN仍在其目前主要的消费性电子快充相关应用上，将触角逐渐延伸到工业与汽车领域中。安世半导体应用工程师丁一?表示，在工业等级应用，GaN可让伺服器、储存装置与电信设备的高阶电力电力系统具备更高效率、更高功率密度。不仅如此，在电池储存与USP逆变器中，GaN可提升功率密度，并减少输出滤波器的尺寸；伺服驱动器则因GaN元件改善了电流波型，进而使马达损耗与杂讯更低。

事实上，在任何应用中，高效能意味着更高的功耗。GaN System亚洲总经理暨全球营运副总裁柯宇轩举例，CPU效能提升两倍，硬体装置的功耗随即增加71%；GPU效能提升两倍，硬体功耗则将增加50%。换句话说，资料中心是迫切需要「绿化」的用电大户，在其中的GPU、CPU与记忆体效能的提高，都会让资料中心的用电量快速攀升，需要更大型的冷却系统降低发热。

处理器与记忆体效率越高，硬体装置运作时则将消耗更多电力。(来源：GaN System)

这也推动电源供应器需要朝更高效率与功率密度，以及更小尺寸、高压的趋势发展。柯宇轩认为，若在资料中心架构中改采GaN，无论是12V或是新兴的48V架构，GaN员在可让AC/DC电源供应器，不但可获得最佳效率，还能将尺寸缩至最小，同时还具高能源密度，并拥有每密度最低的成本。而与矽基元件打造的系统相比，GAN电源供应器在相同的资料中心机柜尺寸，可放入34台伺服器，需6个电源供应器供电；然而矽基元件仅可放入30台伺服器，却需要10个电源供应器。

宜普电源转换(EPC)执行长 Alex Lidow指出，GaN元件可以比矽元件更高效地传导电子，可以承受更高的电场，且在速度、温度、功率方面，超越矽元件的性能，因此目前已被导入多种包括车辆与工业相关应用中，例如马达控制器、DC/DC转换器和光达(LiDAR)、车内OBC系统…等。在马达控制和DC/DC转换领域，未来的发展蓝图需要实现更高的功率密度；而对于光达应用来说，需要实现更快的速度。更重要的是，在上述所有应用，都需要对GaN、矽元件的功能和特性进行策略整合。

为什么需要整合？Lidow认为，整合可以带来诸多好处，包括效率、成本、尺寸及重量、EMI等方面，这是传统矽MOSFET所无法达到的。除此之外，经过整合的eGaN电晶体，和矽功率MOSFET元件的行为非常相似，所以功率系统工程师可以在最少的额外培训下，利用过往的设计经验，即可发挥氮化镓元件的优势。

宽能隙元件在5G通讯基础设施、绿色资料中心、电动车与充电桩、医疗…等领域大放异彩，这是否意味着SiC及GaN未来是否将取代矽元件？业者们纷纷表示，三者将共存。杨东益认为，矽、SiC及GaN都有其独特，且是目前任何一种材料都无法取代的优势，如矽基元件就是单价低、生产量大，因此业者在选择采用哪一种元件时，应从应用的需求去找出「最佳解」。

新材料衍生测试新挑战

宽能隙半导体在全球提倡环保、节能的大风潮下，为让业者能顺利因应接踵而来的各种法规，一时之间成为显学，虽然不至于全面取代传统矽功率元件，但SiC、GaN等新的材料，也为功率半导体测试带来新挑战。太克科技(Tektronix)资深技术顾问陈思豪表示，由于具有高的电子迁移率、高崩溃电压的特征，更适合在高功率、高频率下操作，因此宽能隙半导体是未来半导体的重要趋势之一。从SiC、GaN功率模组内部节温的变化，以及在各种应用、模组、装置、转换器等层级来看，采用SiC、GaN，带来的改变，就会衍生出一个新的技术挑战，因此有效的测试SiC和GaN等宽能隙半导体打造的功率元件、系统，会是业者在市场能否成功的关键。

宽能隙半导体功率元件涉及多项测量，包括开启状态、关闭状态、电容电压与动态特性，并需要电压和电流偏置，以及电压和电流测量来充分显示元件的状态、特性。陈思豪强调，除了动态特性，关键静态参数测试相当重要，以免整个系统都发生问题，因此除了要选择对的测试仪器，还需搭配专业的测试软体，才能全面地验证宽能隙半导体元件所打造的系统是否万无一失。

SiC和GaN的可能应用。(来源：太克科技)

宽能隙半导体材料高崩溃电场(breakdown electric field)的特性也会为功率晶体可靠度带来挑战；专长材料分析的泛铨科技(MSS)技术行销处处长张仕欣表示，要降低电场强度以提升元件可靠度，就要减少闸极氧化绝缘层厚度以降低通道电阻值，因此宽能隙功率元件的结构会从平面式朝向非对称沟槽式或是双沟槽式发展。

而由于通道电阻与扩散层分布息息相关，对功率晶体设计工程师来说，取得扩散层资讯是相当重要的任务；为此泛铨提供利用先进场发射扫描式电子显微镜(FESEM)进行的扩散层分析方法，以提供高精度、高解析度、高稳定性的结果。张仕欣指出，透过截面结构观察、扩散层分析，以及结合SE、CL与TEM等工具，可快速鉴定材料缺陷的微结构与缺陷分析方法，协助开发者对宽能隙半导体材料有更清晰的了解。

以FESEM进行的宽能隙元件扩散层分析影像。(来源：泛铨科技)

德凯宜特(DEKRA iST)零组件工程部经理陈冠玮则分享了宽能隙功率元件在进行车用可靠度验证时需特别关注的测试项目；他指出，随着车辆电动化趋势成为主流，除了车辆本身的电力电子模组(PEM)，车载充电器、快速充电桩以及车用无线充电系统等电动车周边基础设施，对具备高压应用优势的SiC、GaN功率半导体元件之需求将持续增加。但陈冠玮也警告，为了因应大量市场需求，相关厂商在积极快速开发产品的同时，很可能会忽略这类元件的可靠性测试重要性；这将造成不可预期灾害，特别是在人命攸关的车用领域。

陈冠玮表示，适用车用宽能隙功率元件的国际标准规范，以美国汽车电子协会(AEC)旗下AEC-Q101离散半导体元件应力测试标准，与欧洲电力电子中心(ECPE)旗下针对车辆电力电子转换器单元(PCU)功率模组的AQG 324可靠度验证标准为两大主流。而车用MOSFET等功率元件要取得这两大标准认证，主要需通过间歇性操作寿命测试(IOL)观察材料品质变异后的热阻(RTH)与接面温度，特别是功率元件各层接触面与温度剧烈变化处在热应力破坏下的影响。而他强调，各种不同宽能隙半导体材料的结构大不相同，测试程序以及结果分析会相当复杂，然而透过专业测试实验室伙伴的协助，将可大幅简化相关任务，加速进军车用供应链的时程。

AEC-Q101 (右)与AQG 324可靠度验证测试项目。(来源：DEKRA iST)

针对具备优异材料特性而逐渐扩展应用版图的GaN功率元件，品勋科技技术顾问暨宏汭精测科技总经理林明正则着眼于工业、车辆等大功率应用对元件耐用性与可靠度的更高要求，指出该类元件在测试上需要克服的一大挑战。他表示，矽基GaN材料的缺陷(即trapping效应)使一般矽晶片使用的静态量测与可靠性评估不足以代表该类元件在真实系统中的表现，需要利用动态量测与可靠度分析来协助元件正确评估GaN功率元件的损耗与老化速度；这也将会是GaN迈向更广泛应用的「最后一哩」。

林明正进一步解释，GaN材料缺陷会带来导通电阻(RDSon)、电压(Vth/Vsd)与产品使用寿命等方面的不稳定性。透过专利的动态参数分析系统，可在元件hard/soft-switching操作状态下执行多个动态参数的分析，闸级操作电压可在-12~12V之间连续变化，并根据待测元件的额定功率进行适当调整，此外亦可独力测试温度、电压、电流、频率、开关比(Duty)等参数，可协助开发者准确掌握GaN元件应用可靠度。

台湾宽能隙半导体产业前景可期

经济部工业局智慧电子产业计划推动办公室主任胡纪平表示，众所周知，化合物半导体在电动车领域中扮演重要角色，然而化合物半导体如何电动车或是其他应用更紧密的结合，是各相关业者思考的重点。为协助业者能进一步「善用」化合物半导体的优势，并将其导入制设计及产品中，经济部工业局预计在今年6月成立化合物半导体办公室，并邀集相关业者成立产业联盟，以期能透过产业联盟的力量介接化合物半导体上下游产业的串联，并扶植台湾系统整合(SI)、传产业者进一步转型，最终能将化合物半导体新的生态系统输出国际。