新興應用推進 寬能隙半導體大步向前

2023-04-19
作者 Ryan Tsai、Anthea Chuang,EE Times Taiwan

近年來,由於節能減碳驅動能源、汽車等產業加速轉型,加上5G通訊等新技術導入的推波助瀾,氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬能隙半導體的重要性及未來性可說是與日俱增…

近年來,由於節能減碳驅動能源、汽車等產業加速轉型,加上5G通訊等新技術導入的推波助瀾,氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)的重要性及未來性可說是與日俱增,供應鏈及相關技術,如今更是越趨完整及成熟。市場調查單位TrendForce預估到2025年,寬能隙半導體的產值可望從2021年的9.8億美元,一路攀升到47.1億美元,年複合成長率(CAGR)達48%,進一步凸顯出該市場的強勁成長潛力。

著眼於業界趨勢,ASPENCORE旗下《EE Times Taiwan》與《EDN Taiwan》團隊盛大舉行TechTaipei「寬能隙元件技術暨未來應用趨勢國際產業論壇」,邀集台灣應用材料(Applied Materials Taiwan)、Cambridge GaN Devices (CGD)、英飛凌(Infineon)、德州儀器(TI)、安森美半導體(onsemi)、羅姆半導體(Rohm)、德凱宜特(DEKRA iST)、Navitas、宜普電源轉換(EPC)、GaN Systems及稜研科技(TMYTEK)等產業先進,以及廣大的工程師讀者群,共同探討寬能隙半導體的前景。

「寬能隙半導體是非常重要的新興產業!」經濟部工業局智慧電子產業計畫推動辦公室主任胡紀平開場致詞時,明確表示寬能隙半導體產業,正是經濟部工業局大力支持且推動的重要產業。他也提到近期討論度非常高的《晶片戰爭》(CHIP WAR: The Fight for the World’s Most Critical Technology)一書,未來若有續集,主角就會是寬能隙半導體,「未來在場先進勢必在書中也可能成為要角,大家一起推動寬能隙半導體生態鏈,朝著更先進尖端的技術邁進。」

晶圓生產朝大尺寸邁進趨勢確立

在全球半導體產業鏈佔有舉足輕重地位的應用材料,近年也積極跨足寬能隙半導體領域。該公司3年前提出「PPACt (功率(Power)、效能(Performance)、單位面積成本(Area-Cost)、上市時間(Time-to-Market))」核心策略。而寬能隙半導體SiC和GaN相較傳統矽(Si),在功率元件的領域更能協助業界實現PPACt的目標。

台灣應用材料半導體產品事業部技術總監何文彬指出,SiC能隙是矽的三倍,使其有更寬的工作溫度,電子飽和速度(Electron saturation velocity)、熱傳導力及崩潰電場強度(Breakdown field Strength)等特性,皆較矽更為出色,因此導入SiC,可使電源供應器體積縮小30%,電動車(EV)動力系統逆變器重量減少40%,電動車充電器在不減少充電效率的情況下,體積更能縮小達十倍之多,目前晶圓生產已由4吋逐步進到8吋。

儘管SiC在功率元件的優勢顯而易見,不過其特性與矽大不相同,為降低成本及優化生產效率,也就需要研發不同的生產技術。何文彬舉例,因SiC晶圓比矽更堅硬,離子注入階段相對容易造成晶格損壞,便運用高溫的離子注入,因而可在對晶格結構破壞最小的情況下注入離子;由於SiC使用強氧化劑做為研磨液體,研磨速度較慢,「Mirra Durum CMP系統」可讓研磨後表面減少缺陷(Defect)。

至於具備快速開關、高功率密度等優點的GaN,何文彬表示,起初GaN雖有可靠度的問題,現已逐漸改善,並相當常見於筆電、手機等應用的快速充電裝置。目前常見的是採用「異質磊晶」技術的GaN-on-Si,去年底開始逐漸從6吋移轉到8吋以上,12吋以上今年可能有機會問世,不過因12吋在有機金屬化學氣相沉澱(MOCVD)製程仍面臨較多技術上的考驗,預估明年開始會先由8吋躍升為主流。

整體來看,何文彬表示,如今資料中心、車載充電器(OBC)等相關場域的應用,都有陸續看見產品進行驗證,甚至面對即將來臨的6G世代,GaN的特殊性可望進一步顯現;而SiC成本雖相對較高,不過電動車、太陽能逆變器(Inverter)、充電樁等應用,越來越常看見SiC,未來一旦普及化,成本有機會往下降。

整合閘極驅動器和邏輯電路 助應用無痛轉移至GaN

根據國際能源總署(IEA)公佈的「Global Energy Review 2021」報告指出,2019年全球消耗的總能源量為23,000百萬兆瓦(TWh),隨之而來的是排放將近10億噸的二氧化碳。CGD大中華區FAE經理徐維利直言,這樣的損耗及排碳量將對環境造成很大的衝擊,因此需要設計效率更高、更環保的電源產品,而SiC就非常適合高功率大電流的應用,GaN則更適合用在高頻應用。

其中針對GaN的未來應用領域,徐維利點出幾個重要市場,包括手機、筆電等3C產品的充電器,現在資料中心資料傳輸量越來越大,雲端運算需求越來越多,所需的電力隨之增加,GaN的高功率密度也能在相同尺寸下的電源提供更高的輸出。綜觀各場域的需求,他統整GaN功率元件的兩大發展方向,應朝「元件方便使用」及「高可靠度」加強發展。

 

GaN功率元件以「方便使用」及「高可靠度」為兩大發展方向。

(來源:CGD)

 

看到目前GaN元件設計遇到的難關,徐維利指出,由於GaN開關切換速度快,但VTH僅矽MOSFET的一半,當電壓峰值(reverse recovery voltage,VRR)過高容易導致二次導通,從而產生短暫的電流脈衝,造成額外損失及影響效率,GaN耐壓目前最高僅來到7V,超過就可能造成損害。換言之,如何「好好驅動」GaN的裝置,便是現階段遇到較大的困難之一。

針對驅動,徐維利表示,現在有看到如使用共源共閘(Cascode)架構、高電子移動速度電晶體(HEMT)整合閘極驅動器(Gate Driver)等方式。CGD則是將閘極驅動器與邏輯電路整合,讓GaN能像MOSFET一樣驅動,具備跟MOSFET相當的穩定性,並讓外部線路也跟MOSFET相近,目標實現MOSFET到GaN的無痛轉移。

矽、SiC和GaN未來「三雄鼎立」

在功率元件部分,英飛凌除了長期致力於矽,也同時跨足SiC及GaN元件,日前更出手併購GaN System,強化產品佈局。之所以走「三路並進」的策略,英飛凌電源及感測系統事業部資深協理陳清源援引多個全球市場調查機構數據,他指出,2021年功率離散元件和模組全年市場規模約為275億美元,GaN到2027年市場規模估計可望達20億美元,SiC則可能超過60億美元,並未完全佔據功率元件市場,「所以才大膽預言,三個技術還是一個共存的狀況。」

 

未來矽、SiC及GaN將是三者並存的狀態。

(來源:英飛凌)

 

英飛凌電源及感測系統事業部應用工程師楊東益也說,應用若往更高頻或更高功率的方向前進,GaN和SiC是用以彌補矽的不足之處。他舉英飛凌的CoolSiC、CoolGaN及CoolMOS為例,例如看到與相移零電壓切換(ZVS)有關的輸出電荷(QOSS)參數,CoolSiC跟CoolGaN切換頻率跟效率都比CoolMOS來得好;不過若看到儲存能量(EOSS)參數,三者並沒有顯著差異,因此在硬開關(Hard-Switching)的應用上,CoolMOS仍舊會是相對有競爭力的選項。

陳清源表示,這也是為何英飛凌在三個產品線上持續做突破,未來也會持續在低碳化產品上著墨、持續投資,比如在馬來西亞廠的部分就投資了20億美元,預計在2024年下半年會開始量產,2025、2026年開始為成長帶來貢獻,並會繼續投入以符合產業的需求。

整合進一步助力縮小產品體積

SiC及GaN兩大後起之秀,在寬能隙半導體各大應用市場各有千秋,而應用GaN可以帶來什麼優勢,德州儀器資深應用工程師Peter Wang以「Why GaN」為開頭,詳細解釋GaN擁有的特色。他表示,未來若想提升產品的功率密度,意味著操作頻率要上升,進而能使用更小的磁性元件,相同面積下可以產生的瓦數就更高。如此一來,在資料中心能擁有更高功率密度的電源供應器,甚至是更小的電源供應器插座。

Wang進一步點出GaN FET的四大關鍵特點,主要包括CG跟QG相對比矽MOSFET小,因此可以更快速進行開關啟閉;較小的COSS,也使得開關損耗(Switching Loss)更少;RDS(ON)以相同面積比較下來,同樣比較小;最後一點也是最重要的,GaN沒有本體二極體(Body diode),也就不會有反向恢復損失(Reverse recovery loss)。

 

GaN功率元件擁有的關鍵特點。

(來源:德州儀器)

 

高功率密度的需求,在當今雲端、人工智慧(AI)等應用所帶動對高運算力要求與日俱增的趨勢下,變得越來越殷切;如何能做到更好的電路板空間運用,在成本競爭越演越烈的局勢下,更是持續成為業界的重要課題;這也正是GaN能發揮所長之處。此外,德州儀器也打造整合閘極驅動器的解決方案。

Wang表示,競爭對手使離散元件,以兩顆GaN的元件搭配二極體等周邊元件的方案,大約會使用200mm2的空間,不過使用德州儀器GaN LMG2610半橋整合型解決方案,佔用電路板的空間僅為75mm2,功率密度也同樣能向上提升。他並透露,德州儀器日前也跟群光電能合作,在其筆電電源供應器「Le Petit」中導入LMG2610,成功縮小電源供應器體積達50%,電源轉換效率更達94%。

以高功率密度寬能隙半導體優化整體成本

80 PLUS為針對電源供應器的規範,目的在於提升地球能源的使用效率,如何達到目前最高的規範「鈦金」(Titanium)成為業界相當重視的一環,這也是為何需要盡可能導入高功率密度的寬能隙半導體元件。onsemi產品經理陳建名表示,寬能隙半導體可以在高頻時,讓周邊電容、電感等元件可以縮小,功率密度卻更好,達到整體系統成本上的優化。

 

80 PLUS的電源供應器規劃,讓寬能隙半導體元件更加受到關注與採用。

(來源:onsemi)

 

談及SiC成本的優化,onsemi系統應用工程經理江明松點出「晶粒大小」(Die size)、「封裝」及「晶圓尺寸」等重點,尤其當做到350kW的電動車動力系統,由於SiC的成本非常高,封裝若能做好,或許封裝成本會略微上升,但可在不影響輸出功率的情況下進一步減少SiC用量,整體成本仍可有效下降。

不過,對於SiC跟IGBT的選擇上,為何在相對成本競爭激烈的電動車市場,單一元件成本相對高昂的SiC仍成為熱門選擇,江明松表示,經過模擬,SiC相較IGBT約可減少4%的損耗,也就是省下4%的電池容量。假設一台電池容量約80kWh的電動車,每1kWh的電池為100~200美元,等同節省350~480美元,這個費用就剛好彌補導入SiC的成本,加上電池成本居高不下,這也是為何SiC搖身主流的原因之一。目前來說,180kW以上大多可用SiC,其餘則可依照需求選擇。

特斯拉(Tesla)日前宣佈減少75%的SiC用量,引來業界高度關注,陳建名也透露,近期確實很常被問到這個問題,但他們仍舊看好SiC的未來用量。包括工業控制應用對高功率的需求,抑或是伺服器、通訊、車用等市場,也依舊因高效能、低碳等趨勢的推動下維持成長性,任何分離式元件上的損耗都要盡可能做到最優化,因此onsemi日前也併購SiC生產商GT Advanced Technologies (GTAT),以求提供更完整的服務。

GaN特性助力LiDAR解析度升級

光達(LiDAR)技術,近年來在機器人、車用等領域被廣為討論,甚至被視為是實現全自動駕駛(Level 5)不可或缺的重要技術。據羅姆半導體的資料,雷達透過原子在不同階段原子跳動產生能量,會把光的能量聚集在雷射管透過繞射反射形成光束,以脈衝狀的近紅外線雷射照射對象物,偵測光線到達對象物反射回來的時間差,就能知道距離多遠。當雷達的速度夠快時,搭配演算法,甚至連3D立體的物體形狀也可以被判斷出來。

羅姆半導體台灣技術中心副總經理陳宗鼎表示,由於矽MOSFET發展上已遇到物理上的瓶頸,促使SiC和GaN的出現,其中GaN由於開關啟閉快、開關損耗較低,在LiDAR就能使解析度(Resolution)進一步提升,「車子在移動速度很快,如果解析度不好就是抓不住畫面,要做到這個東西關鍵就是要把頻率拉高,讓每秒打出去的脈衝(Pulse)非常多,這也就是GaN很重要的地方。」

 

導入開關速度更快的GaN,對LiDAR應用的解析度有很顯著的改善。

(來源:羅姆半導體)

 

陳宗鼎表示,羅姆用於LiDAR的GaN為150V,定位為中壓的產品,除了GaN原有的高頻率優勢,以及每個脈衝間隔僅2奈秒(ns),為避免開關啟動太快而超過VGS,進而導致晶片燒毀,羅姆發揮本身為整合元件製造廠(IDM)的角色,在VGS的臨界電壓(Threshold voltage)進一步從傳統的6V優化到8V。以LiDAR產品的相關解決方案來說,他們現在可提供GaN及閘極驅動器,以及技術上的支援,給予客戶高解析度及高可靠度的完整方案。

寬能隙功率元件可靠度驗證面面觀

隨著電動車、5G、衛星通訊領域快速發展,SiC和GaN等化合物半導體的重要性大幅提升,其耐高溫與耐高壓等特性,在5G、電動車、再生能源、低軌道衛星等領域成為關鍵技術。德凱宜特資深經理陳冠瑋表示,在眾多應用市場中,有鑑於電動車即將在2023年成為主流,傳統的矽功率半導體性能已接近極限,因此使得SiC、GaN等新興的寬能隙半導體搖身變為電動車產業鏈重要的戰略物資。

從2023年開始,隨著8吋矽晶圓量產後的成本效益提升,台廠在第三類半導體表現將更加活躍。且產官學也積極推動「化合物半導體計畫」,不僅推助投入寬能隙半導體領域的相關業者數量越來越多,該計畫還規劃加速推動 SiC相關製程、研究、可靠度測試等工作。不過,什麼是車用元件可靠度測試?為何比矽功率元件功能還要強大的寬能隙功率元件也需要進行相關測試?

陳冠瑋說明,可靠度測試對於使用在車輛或太空的半導體元件來說相當重要,試想,你的燃油車或電動車行駛在全球最熱的北非利比亞時,若你的智慧型手機因在高溫環境下「罷工」,這時第一件事是將手機放到車內冷氣口「降溫」,以便它恢復正常工作;萬一車內的元件也因無法耐受高溫造成車輛失效,該如何是好?因此車用功率元件可靠度測試可以說相當重要。

 

浴缸曲線代表半導體產品壽命的三個主要階段。

(來源:DEKRA iST)

 

目前車用寬能隙功率元件國際規範有二:AEC-Q101與AQG 324。陳冠瑋表示,AEC-Q101是指離散半導體元件的應力測試標準(包含測試方法);AQG 324則是專門針對車用功率模組的驗證規範,前身是LV324,由汽車產業的廠商代表編制而成。測試的重要項目包括熱阻(Rth)、間歇性操作壽命測試(IOL/PCT)、功率元件的脆弱區域、電性參數測量…等等涵蓋範圍相當廣。因此相關業者若要進行車用寬能隙元件的測試驗證工作,應尋求第三方驗證單位合作,以順利打造高品質且高競爭力的產品,並順利通過國際認證。

以寬能隙半導體加速世界全面「電氣化」

世界早已步入電氣化時代,只是過去多以石化能源發電,導致地球氣候變遷。為降低對石化能源的依賴,除了改用下一代的新能源發電外,工廠與交通工具也需「戒除」石化燃料,才能進一步達到節能減碳、淨零碳排,以及永續地球的目標。Navitas台灣區總經理汪時民表示,下一代電源需要更高的效率、更快的充電速度,以及最小的尺寸和重量,也因此寬能隙半導體的成長已無庸置疑。

 

從頻率與應用功率區分矽、SiC與GaN的適用範圍。

(來源:Navitas)

 

根據市調單位統計,2050年各種材料如SiC、GaN與氧化鎵(GaO)所推動的寬能隙半導體市場,將達250億美元規模,因此也吸引各家廠商的相繼投入。其中,Navitas是市場上唯一只生產SiC與GaN元件,並透過台積電(TSMC) 6吋晶圓製程生產的無晶圓業者,汪時民指出,除了只做寬能隙元件外,「整合再整合」以持續縮小元件尺寸、提升轉換效能…等,一直是Navitas的目標。隨著額定功率的增加,Navitas認為,半橋拓撲已成為首選,且採用軟開關技術可實現最快的開關和最低的轉換損耗,因此目前,Navitas已開發半橋拓撲架構、高整合度的產品。不過,汪時民亦強調,在寬能隙半導體產業中,要建立完整的供應鏈,需各界廠商共同合作,才能將市場做大,並釋放電力電子第二次革命中的「下一波浪潮」。

整合GaN為應用市場帶來優勢

通常設計師在導入電力電子相關的新技術或是元件在其產品中時,通常會考慮採用的電力電子元件,要如何解決效能、尺寸與重量、成本,以及電磁干擾(EMI)等問題。EPC執行長Alex Lidow表示,要解決上述問題,可以從矽功率元件的表現來觀察,現今的矽MOSFET在高壓系統中的效能已到極限,因此業界開始尋求新的方案,而屬於第三類半導體的寬能隙元件,就成了更好的選擇。

亦投入寬能隙半導體元件研發的EPC,持續針對現有產品進行最佳化,以提升eGaN系列產品的效能。Lidow指出,目前EPC GaN產品已進行至第六代,每一代的演進都是為了更好的解決上述提到的,設計工程師在電力電子系統設計時所遭遇的問題,且每一代產品皆朝向更高的整合度、更低導通電阻(RDS(on))、更低電容、更大電流及卓越熱性能的方向發展。

 

EPC第五代與第六代採用單片半橋架構GaN產品效能比較。

(來源:EPC)

 

Cascode架構提升SiC FET效能

即使目前SiC、GaN的效能比矽功率元件高出一個檔次,但終端,如電動車/充電樁、資料中心、再生能源…等SiC主力應用市場的系統勢必會與時俱進,朝向更高壓發展,藉此提升效率,即促使業者們致力思考如何提高現有SiC電力電子的效能。Qorvo功率元件FAE經理Richard Chen表示,利用Cascode加上高整合度的架構,將能為市場提供更高效的SiCFET。

Chen進一步解釋,透過Cascode架構,可使SiC FET元件具備寬能隙半導體特性的同時,還能擁有矽MOSFET的靈活性和耐用性,且簡單使用設計者熟悉且標準的驅動模式,就可以提升效能。因此Qorvo的SiC FET與市場上其他業者的產品相比,可做到更低的RDS(on)、更小的尺寸與更低的寄生電容。

寬能隙電力電子崛起之路

世界正在發生變化,促使電力電子領域也在進行革新,GaN Systems業務發展副總裁莊淵棋指出,全球發展的大趨勢——數位經濟、電氣化與能源效率,以及節能減碳、淨零碳排等正在引爆電力電子的革命。而這場革命就是讓寬能隙半導體元件有「冒出頭」的機會,並在某些應用領域中開始替代既有的矽電力電子元件。

換句話說,節能減碳、二氧化碳零排放等由各國政府主導的「運動」,加速凸顯出既有的矽功率元件的不足,進而給予寬能隙半導體很好的發展契機。莊淵棋舉例說明,目前各國已制定出禁用燃油車的時間表,促使電動車或車輛內部相關的電氣化如火如荼的發展;為了永續地球,降低或完全不使用石化能源,再生能源的發展也刻不容緩,即使根據市調單位統計,至2025年全球再生能源的使用量僅佔總電量效耗的40%;用電大宗的資料中心,則更是最需要節能減碳的應用,根據統計,在台灣,所有資料中心的總用電量等於台電的總發電量。因此,若不進一步提升電力、能源的使用效率,又怎能談得上節能減碳、永續地球?

有鑑於此,SiC、GaN等寬能隙半導體元件的特性,使SiC被大量導入在新能源車中,以提升電動車電力系統的功率密度、能效,以及降低系統尺寸。GaN方面,相較於SiC,GaN的聲量似乎沒有SiC來的高,但事實上GaN的應用範圍相當廣泛,包括車用OBC、消費性電子、資料中心…等都逐漸有GaN的身影。值得注意的是,在電源供應器(PSU)應用方面,只有使用基於GaN的PSU可達到80 PLUS的鈦金等級以上(Titanium+)的效率,以及大於80W/in3的功率密度。莊淵棋表示,雖然GaN應用範圍「夾」在矽與SiC的中間,且在某些應用中與SiC稍有重疊,不過GaN仍有相當光明的前景。

 

矽與GaN在各種大規模應用上的效能比較。

(來源:GaN Systems)

 

寬能隙半導體助力衛星產業發展

現階段寬能隙半導體元件較為人熟知的應用領域為再生/綠色能源、電動車、工業電源/儲能系統、大眾運輸工具…等。稜研科技創辦人暨總經理張書維表示,事實上,寬能隙半導體的抗輻射效果,使其在高頻毫米波(mmWave)與衛星通訊中,扮演著重要角色。

原因在於,儘管毫米波頻率的可用頻寬很具優勢,可以提升資料傳輸量,實現各種應用所需,然而30~300GHz的毫米波頻段,也為其技術市場發展帶來一個相當大的致命傷——傳輸距離短、路徑損耗大。因此為提升毫米波的傳輸距離,張書維指出,可採用波束成形(Beamforming)強化傳輸距離,不過,此時系統的功率勢必得增加。但目前的矽電力電子元件無法承受毫米波波束成性架構所需的功率,且功率放大器的效率也無法達到最佳(僅5~10%),最多可達10W,甚至其他90%都會轉換為無用的熱。

種種原因讓GaN功率放大器有用武之地,張書維說明,透過晶圓級封裝技術整合GaN功率放大器,革新毫米波射頻前端(RF Front-End),將可最大限度地減少天線陣列的尺寸、重量和功率;加上GaN高輻射耐受性,可讓產品通過太空嚴苛的環境的挑戰,加速太空衛星產業的發展。

從電動車解析SiC發展態勢

由於電動車的出現,寬能隙半導體成為新的研究熱點,特別是能夠在高工作電壓下實現低能量損耗的快速開關SiC MOSFET,逐漸成為電動車大功率開關的主流技術。而近年積極投入電動車發展的鴻海研究院,也發現了SiC MOSFET在800V牽引逆變器中的機會和挑戰。

鴻海研究院半導體研究所正研究員杜長慶指出,未來內建800V電池系統將成為電動車主流,原因在於,從P = V × I的電功率公式來看,電功率越高,體積與重量就會越小;另外,現有的電動車充電系統為400V、150kW,若要縮短充電時間,800V、250kW的功率必定可以再縮短已具備快充功能的基礎設施充電時間。而要讓800V系統在電動車中實現,「SiC將是『最好』,而非唯一的解決方案,」杜長慶強調。

也因此,在傳出特斯拉將減少使用75%SiC元件時,市場一片譁然,甚至導致幾家SiC元件供應商股票下跌。杜長慶認為,其實無需如此驚慌,特斯拉此舉僅是為處理散熱的問題,若能將傳熱的效能提高,Ron就會降低,就可減少SiC的使用數量,並非日後完全不再使用。而鴻海研究院也正針對特斯拉的 「趨勢」,進行相關研究,以期推動電動車800V系統的進展。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年4月號

 

 

 

 

 

 

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