寬能隙元件建構高效節能綠世界

作者 : Anthea Chuang、Judith Cheng,EE Times Taiwan

以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)材料為主流的寬能隙(WBG)半導體功率元件,在節能永續意識抬頭的今日成為各種電源系統應用的寵兒;2022年Tech Taipei系列研討會首度以WBG元件為題,邀請業界重量級業者,從設計、製造、測試等不同面向與現場超過400位聽眾分享最新技術與應用趨勢...

隨著各國碳中和、淨零碳排相關法規正式上路,節能減碳已不再只是口號。全球所謂的「用電大戶」企業,也必須盡快開始審視其節能環保相關的舉措,否則將影響未來產品銷售與公司永續經營的契機。事實上,半導體元件及電子產品的製造過程與使用,都相當耗電,甚至半導體元件製程過程,不僅需要電力還需要大量潔淨的水;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能永續、綠色環保世界的大道上。汽車產業已大力推動電動車(EV)的發展,再生、替代能源的使用,亦在電力領域逐漸位居要角,半導體、電子產品相關廠商也在致力降低碳排放、達到碳中和,而要協助產業實現這些目標,化合物半導體,尤其是寬能隙(WBG)元件將為關鍵。

綠能供應仍不足 轉換效率成解方

在2022年開春第一場由ASPENCORE旗下《EE Tmes Taiwan》與《EDN Taiwan》團隊主辦的TechTaipei「寬能隙元件技術暨未來應用趨勢研討會」中,GaN System業務開發副總裁莊淵棋表示,能源問題一直是人類發展過程中首要面對的大挑戰,而這也衍生了電力供給的競賽。根據EIA統計,到2025年全球總能源供給中,再生能源僅佔40%;這也意味著還有60%需要倚賴傳統的石化原料來發電,對於全球朝向節能減碳、環保永續的未來之路,設下了重大的阻礙。

也因此,許多能符合環保節能的應用才如此受到矚目,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「環保」的交通工具,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,電動車並不是那麼環保的產品。

有鑑於此,在消費者與車廠關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如何更有效率,讓電動車成為名符其實的節能環保應用。不只電動車,包括資料中心在內的電子產品也是耗電大戶,現今各國都已針對資料中心耗電的部分制定規範,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能,從能源系統下手,提高電力轉換效率,即可進而降低資料中心冷卻系統需求,促使資料中心能更加省電。

各種應用採用寬能矽半導體的優勢。

(來源:GaN System)

那麼該如何提到電力系統的效率?答案就是碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬能隙元件。鴻海研究院半導體研究所副組長陳仕誠表示,從Yole Développement統計資料可發現,燃油車佔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電動車主因,而在特斯拉(Tesla)率先將電動車供電系統從650V朝1,200V系統發展時導入SiC,凸顯SiC元件為電動車電池帶來的效率優勢後,各大車廠也開始採用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、鴻海研究院半導體研究所)

GaN雖然在高壓系統應用方面有所不及,然而該化合物半導體以其可縮小裝置體積、可於高頻運作…等優勢,也打進車輛OBC、光達(LiDAR)系統等應用中。陳仕誠指出,針對各國節能減碳的法規要求,化合物半導體可協助工業馬達、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能優勢,許多應用也開始依其需求導入SiC與GaN元件。

電力相關應用SiC/GaN聲勢看漲

莊淵棋透過一張統計圖表說明,為何寬能隙元件在目前各種電力系統相關應用中如此受矚目。他指出,寬能隙半導體在工業、消費性電子/資料中心、太陽能/風能轉換等「耗電大戶」應用中,可省下的電力相當驚人;不僅如此,寬能隙半導體在系統體積、效率等方面也比矽元件更具優勢。

不過,SiC和GaN雖然比矽元件具備更多優勢,但仍有其不同特性與優缺點,以下分別介紹目前SiC與GaN元件擅長的應用。

SiC縱橫高壓領域

有鑑於現今電力的不足與節能減碳的議題受到全球重視,英飛凌(Infineon)電源及感測系統事業部資深協理陳清源認為,取得更多太陽能與風力發電所產生的再生能源,提高系統電力轉換效率,以及促使消費性電子更加省電,都是現階段能進一步節能減碳的策略。而要做到這些,現有的矽基元件在某些應用中不是做不到,就是成本與效能會大幅增加,而SiC元件在功率密度、易於使用、強健性,以及可在高溫下運作等特性皆優於GaN與矽元件,因此SiC目前普遍被應用於高壓和須高開關頻率的系統中。

矽、SiC、GaN特性與定位。

(來源:英飛凌)

安世半導體(Nexperia)行銷經理鍾昇文說明,SiC是相當堅硬的物質,但由於其與矽相比,良率不高(與矽相比,矽有1KK產出時,SiC僅100K的量)、產出時間長(長晶速度慢),再加上基板供應掌握在少數幾家業者中,因此不僅價格相對較高,且這樣堅硬的材料在半導體產業與相關電力電子應用中並未普及。

然而在800~900V以上的高壓系統及高頻切換應用中,SiC的優勢則可盡顯。鍾昇文舉例,在高功率應用中,SiC可提升轉換效率;在大於1,200V的高壓系統中,SiC的可靠度、穩定性與效率皆較矽元件表現要佳,不過受限於SiC的價格仍較高,因此目前業者逐漸在電動車、充電樁、工具機、機械手臂…等單價較高的系統中轉用SiC。

專攻SiC MOSFET產品開發的強茂(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/電源供應器、車用、工業,以及高於1,700V的再生能源發電設備、電網與交通軌道設施等重電應用。鎖定較高價值的車用、工業大功率應用,目前強茂的SiC元件包括已經開發到第二代的650V/1,200V SiC二極體,以及初代650V/1,200V SiC MOSFET,並持續進行更高性能、小型化的產品研發,例如可降低阻抗的薄化晶圓技術以及溝槽式SiC MOSFET。

強茂專攻大功率應用SiC二極體/MOSFET元件。

(來源:強茂)

GaN馳騁消費市場

從半導體材料的特性來看,英飛凌應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,導致GaN元件會出現電流塌陷的問題,是該元件無法應用於更高壓應用的主因之一。也因此,具備高開關頻率、可進一步將裝置體積縮小的GaN元件,在消費性電子快充領域才能快速攻城掠地。

半導體材料特性。

(來源:英飛凌)

不過,由於GaN元件在圖騰柱設計上具備絕對優勢,因此GaN仍在其目前主要的消費性電子快充相關應用上,將觸角逐漸延伸到工業與汽車領域中。安世半導體應用工程師丁一?表示,在工業等級應用,GaN可讓伺服器、儲存裝置與電信設備的高階電力電力系統具備更高效率、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,並減少輸出濾波器的尺寸;伺服驅動器則因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,在任何應用中,高效能意味著更高的功耗。GaN System亞洲總經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降低發熱。

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、高壓的趨勢發展。柯宇軒認為,若在資料中心架構中改採GaN,無論是12V或是新興的48V架構,GaN員在可讓AC/DC電源供應器,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,並擁有每密度最低的成本。而與矽基元件打造的系統相比,GAN電源供應器在相同的資料中心機櫃尺寸,可放入34台伺服器,需6個電源供應器供電;然而矽基元件僅可放入30台伺服器,卻需要10個電源供應器。

宜普電源轉換(EPC)執行長 Alex Lidow指出,GaN元件可以比矽元件更高效地傳導電子,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,因此目前已被導入多種包括車輛與工業相關應用中,例如馬達控制器、DC/DC轉換器和光達(LiDAR)、車內OBC系統…等。在馬達控制和DC/DC轉換領域,未來的發展藍圖需要實現更高的功率密度;而對於光達應用來說,需要實現更快的速度。更重要的是,在上述所有應用,都需要對GaN、矽元件的功能和特性進行策略整合。

為什麼需要整合?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,這是傳統矽MOSFET所無法達到的。除此之外,經過整合的eGaN電晶體,和矽功率MOSFET元件的行為非常相似,所以功率系統工程師可以在最少的額外培訓下,利用過往的設計經驗,即可發揮氮化鎵元件的優勢。

寬能隙元件在5G通訊基礎設施、綠色資料中心、電動車與充電樁、醫療…等領域大放異彩,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勢,如矽基元件就是單價低、生產量大,因此業者在選擇採用哪一種元件時,應從應用的需求去找出「最佳解」。

新材料衍生測試新挑戰

寬能隙半導體在全球提倡環保、節能的大風潮下,為讓業者能順利因應接踵而來的各種法規,一時之間成為顯學,雖然不至於全面取代傳統矽功率元件,但SiC、GaN等新的材料,也為功率半導體測試帶來新挑戰。太克科技(Tektronix)資深技術顧問陳思豪表示,由於具有高的電子遷移率、高崩潰電壓的特徵,更適合在高功率、高頻率下操作,因此寬能隙半導體是未來半導體的重要趨勢之一。從SiC、GaN功率模組內部節溫的變化,以及在各種應用、模組、裝置、轉換器等層級來看,採用SiC、GaN,帶來的改變,就會衍生出一個新的技術挑戰,因此有效的測試SiC和GaN等寬能隙半導體打造的功率元件、系統,會是業者在市場能否成功的關鍵。

寬能隙半導體功率元件涉及多項測量,包括開啟狀態、關閉狀態、電容電壓與動態特性,並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、特性。陳思豪強調,除了動態特性,關鍵靜態參數測試相當重要,以免整個系統都發生問題,因此除了要選擇對的測試儀器,還需搭配專業的測試軟體,才能全面的驗證寬能隙半導體元件所打造的系統是否萬無一失。

SiC和GaN的可能應用。

(來源:太克科技)

寬能隙半導體材料高崩潰電場(breakdown electric field)的特性也會為功率晶體可靠度帶來挑戰;專長材料分析的汎銓科技(MSS)技術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構會從平面式朝向非對稱溝槽式或是雙溝槽式發展。

而由於通道電阻與擴散層分佈息息相關,對功率晶體設計工程師來說,取得擴散層資訊是相當重要的任務;為此汎銓提供利用先進場發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、高穩定性的結果。張仕欣指出,透過截面結構觀察、擴散層分析,以及結合SE、CL與TEM等工具,可快速鑑定材料缺陷的微結構與缺陷分析方法,協助開發者對寬能隙半導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:汎銓科技)

德凱宜特(DEKRA iST)零組件工程部經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等電動車周邊基礎設施,對具備高壓應用優勢的SiC、GaN功率半導體元件之需求將持續增加。但陳冠瑋也警告,為了因應大量市場需求,相關廠商在積極快速開發產品的同時,很可能會忽略這類元件的可靠性測試重要性;這將造成不可預期災害,特別是在人命攸關的車用領域。

陳冠瑋表示,適用車用寬能隙功率元件的國際標準規範,以美國汽車電子協會(AEC)旗下AEC-Q101離散半導體元件應力測試標準,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)觀察材料品質變異後的熱阻(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力破壞下的影響。而他強調,各種不同寬能隙半導體材料的結構大不相同,測試程序以及結果分析會相當複雜,然而透過專業測試實驗室夥伴的協助,將可大幅簡化相關任務,加速進軍車用供應鏈的時程。

AEC-Q101 (右)與AQG 324可靠度驗證測試項目。

(來源:DEKRA iST)

針對具備優異材料特性而逐漸擴展應用版圖的GaN功率元件,品勛科技技術顧問暨宏汭精測科技總經理林明正則著眼於工業、車輛等大功率應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。他表示,矽基GaN材料的缺陷(即trapping效應)使一般矽晶片使用的靜態量測與可靠性評估不足以代表該類元件在真實系統中的表現,需要利用動態量測與可靠度分析來協助元件正確評估GaN功率元件的損耗與老化速度;這也將會是GaN邁向更廣泛應用的「最後一哩」。

林明正進一步解釋,GaN材料缺陷會帶來導通電阻(RDSon)、電壓(Vth/Vsd)與產品使用壽命等方面的不穩定性。透過專利的動態參數分析系統,可在元件hard/soft-switching操作狀態下執行多個動態參數的分析,閘級操作電壓可在-12~12V之間連續變化,並根據待測元件的額定功率進行適當調整,此外亦可獨力測試溫度、電壓、電流、頻率、開關比(Duty)等參數,可協助開發者準確掌握GaN元件應用可靠度。

台灣寬能隙半導體產業前景可期

經濟部工業局智慧電子產業計畫推動辦公室主任胡紀平表示,眾所周知,化合物半導體在電動車領域中扮演重要角色,然而化合物半導體如何電動車或是其他應用更緊密的結合,是各相關業者思考的重點。為協助業者能進一步「善用」化合物半導體的優勢,並將其導入制設計及產品中,經濟部工業局預計在今年6月成立化合物半導體辦公室,並邀集相關業者成立產業聯盟,以期能透過產業聯盟的力量介接化合物半導體上下游產業的串聯,並扶植台灣系統整合(SI)、傳產業者進一步轉型,最終能將化合物半導體新的生態系統輸出國際。

 

 

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