相信目前市場對於所謂的寬能隙(Wide Band Gap;WBG)半導體並不感到陌生,其中,氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)是氮和鎵的化合物,是一種直接能隙(direct bandgap)半導體,硬度很高。氮化鎵的能隙為3.4eV,而目前最常用的半導體材料矽的能隙為1.12eV,因此氮化鎵可以用在高功率、高速元件中。

雖然氮化鎵的研究和應用已經有20多年的歷史,但直到最近幾年才開始看到氮化鎵商業化的發展前景。5G通訊射頻(RF)前端對高頻和高效率的要求將為氮化鎵帶來前所未有的機會,而汽車電動化和可攜式電子產品的充電需求,以及高瓦數、高功率的電源供應器都將驅動氮化鎵功率元件逐漸替代傳統的矽功率元件。

事實上,在很長一段時間內,對基於氮化鎵解決方案的開發主要由研發機構和實驗室進行,但是今天這種情況發生了變化。的確5G相關應用與設備是引發氮化鎵元件備受矚目的關鍵,然而氮化鎵的一些特性,讓該材料在電源供應等電力應用中,有了新的機會。

Yole Développement發佈的年度報告《電力氮化鎵:外延、元件、應用和技術趨勢(Power GaN: Epitaxy, Devices, Applications and Technology Trends)》中,該市調單位技術與市場分析師Ana Villamor表示,儘管目前的氮化鎵電源市場與328億美元的矽電源市場相比仍然是「小巫」,但氮化鎵元件正在滲透到不同的應用中。其中,功率氮化鎵市場中最大的部分仍然是相關電源應用,例如手機的快速充電,以及大瓦數電源供應器,Navitas和Exagan已推出整合氮化鎵方案的45W快速充電電源適配器。另外,光達(LiDAR)應用是高階解決方案,可充分利用氮化鎵功率元件中的高頻開關。

20190902NT31P1 依應用劃分的氮化鎵功率元件市場規模(單位:百萬美元)。(資料來源:Yole Développement)

由於電源市場的需求驅動,氮化鎵市場將穩步成長。Yole Développement預估,2017~2023年間,氮化鎵電源市場的年複合成長率(CAGR)將達55%;值得注意的是,Yole Développement並指出,蘋果(Apple)有意採用氮化鎵技術,若氮化鎵功率元件順利獲消費性電子類產品採用,即則年複合成長率可望高達93%。也因此包括英飛凌(Infineon)、松下(Panasonic)、德州儀器(TI)、Navitas、意法半導體(STMicroelectronics)等電力電子領導廠商及新創公司,皆已紛紛進入氮化鎵功率半導體的研發,且有些廠商已推出相關氮化鎵產品線。不過,雖然氮化鎵在電源市場鋒頭正盛,但事實上,該寬能隙元件因技術挑戰仍高、成本還未能與矽元件相比…等因素,短期內仍未能成為市場主流。

勝過傳統矽元件的獨特性

究竟氮化鎵有何「迷人」的特性,可吸引電源相關應用的系統業者及元件商,進一步攜手研發並推出內建氮化鎵方案的產品?Panasonic產業部材第二事業處電子機構部電子機構二課主任賴振民表示,相較傳統矽元件,首先氮化鎵元件可在高頻工作,現階段矽元件的切換頻率極限約為65~95kHz,工作頻率再往上升,將會導致矽MOSFET耗損、切換損失變大;再者閘極(Qg)的大小也會影響關斷速度,而矽元件也無法再提升。

但氮化鎵元件在高頻時,在導通與切換上仍有較佳的效能、可靠度高,也能促使周邊元件尺寸進一步縮小,並提升功率密度,因此氮化鎵功率元件才能在近期節能減碳的聲浪中,帶動電源供應系統走向大瓦數的趨勢下,受到市場的青睞。

英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處資深行銷經理陳清源談到氮化鎵的特性時,他認為,雖然目前電源市場主流仍是傳統矽元件,但電源市場不斷與時俱進,「要求」也越來越多。而矽功率元件在製程圖形(pattern)設計上已出現瓶頸,因此具備高頻操作特性卻可獲得更高效率,且發熱的問題也能緩解的氮化鎵,即獲得切入市場的機會。

20190902NT31P2 矽、碳化矽(SiC)與氮化鎵應用範疇。 (資料來源:英飛凌)

高功率電源供應為應用大宗

由於氮化鎵的特性,使其在大瓦數、600~650伏特(V)及以下高電壓電源供應器市場,有較大發展空間。賴振民指出,事實上,目前氮化鎵材料在射頻領域的應用凌駕電源市場,不過,在一些高壓應用,如電競電腦、電信通訊設備、資料中心伺服器…等需要更好電源轉換效率的交流轉直流(AC-DC)電源適配器(adapter)應用,氮化鎵功率元件已開始被導入。

這是因為,電源適配器的體積被要求要越來越輕巧,且效率卻不能因而降低。英飛凌資深主任工程師張家瑞說明,無論是大型設備的外部電源抑或者50瓦、65瓦手機快充線上的適配器,整體體積的發展趨勢是越來越「精緻、小巧」,要在那麼有限的空間中提供高瓦數的充電效果,且在散熱、電源轉換效率都不能因體積小而有所打折的狀態下,氮化鎵的使用可以讓整個系統周邊如電容、變壓器…等磁性元件的數量變少或尺寸變小,但卻能維持既有的甚至更好的效率,那麼為什麼不轉而採用氮化鎵?

在相關電源設備製造商開始瞭解到氮化鎵可以帶來的優勢後,氮化鎵在一些大功率應用市場的滲透率也逐漸提升。陳清源指出,伺服器/資料中心、工業電源、通訊電源等高功率的應用中,可謂是氮化鎵主要應用市場,雖然氮化鎵在低功率如智慧型手機快充、無線充電等市場也有機會,然目前因氮化鎵元件的成本仍較不能被消費市場所接受,因此仍有待氮化鎵元件供應商的努力耕耘。

EMI夢靨築起高技術門檻

與矽功率元件相比,氮化鎵的優點雖然很多,但該寬能隙元件卻存在電磁干擾(EMI)問題難解的惡夢。賴振民解釋,氮化鎵可在高頻工作這一點可以說是雙面刃——優勢前文已詳述,而劣勢是即使相對應的周邊元件已到位,切換頻率高將會產生大量EMI,如何解決將是業者最頭痛的問題。

對此,氮化鎵元件供應商也透過一些方式,以解決EMI難題。例如Panasonic與其他業者利用電壓驅動方式較不同的是透過電流驅動,讓氮化鎵元件能夠比較強健,在突波發生時不易損壞,也可緩解EMI。張家瑞表示,英飛凌是選擇先將整體系統中會造成EMI問題的部分先行濾除,如降低干擾源、使EMI的傳播路徑變差,以及思考電路設計如可以降低寄生電容,如此一來,業者在解EMI時會比較輕鬆。

除了氮化鎵高頻切換衍生的EMI技術門檻,陳清源認為市場因素與業者資源的投入,也可說是進入氮化鎵功率元件領域的門檻。現階段,氮化鎵市場規模仍無法和傳統矽功率元件媲美,且氮化鎵元件的殺手級應用尚未出現,無法為氮化鎵元件供應商帶來一定程度的營收,以支撐龐大的研發費用;更何況,氮化鎵需要先早期投資,先跑且能持久投注相關研發資源的業者,才有機會跑到終點。

換句話說,未來氮化鎵市場將呈現業者大者恆大的態勢,「無須高頻化、強調低成本的應用,尤其是低功率應用市場中的矽功率元件,不會被氮化鎵元件取代,口袋夠深的業者才能走到最後。」陳清源強調。

低瓦數快充可望成為新目標市場

氮化鎵在高功率市場中正逐漸「風生水起」,而在低瓦數應用沒有任何機會嗎?賴振民認為,在低瓦數的快充市場,如筆記型電腦、智慧型手機適配器,也開始被要求要輕薄短小,且轉換效率不能縮水,因此也有業者也將目光放在氮化鎵元件。不過,消費性電子領域最要求的是低成本,氮化鎵元件成本仍比不上製程發展相對成熟許多的矽功率元件。

賴振民指出,雖然6吋晶圓可以切出的氮化鎵裸晶更多,然氮化鎵開模成本硬是比矽元件高,因此要降低氮化鎵元件本身的成本,還是回到「雞生蛋、蛋生雞」的問題,市場對氮化鎵需求增加,成本自然會降低。

不過,若是從整體系統的角度來看,盡可能降低氮化鎵系統中搭配的元件成本,系統整體成本也可以隨之降低,進一步提升市場接受度。賴振民舉例,一般手機或是筆記型電腦的變壓器/適配器成本約3~4美元,但若使用氮化鎵,則總體成本可能會達8~9美元,因此高階或是旗艦型手機,為提升產品價值,採用50W或65W快充技術,並提供使用者相應的充電器,即使充電器價格稍高,單消費者仍願意買單,此時,氮化鎵元件則有機會切入。

陳清源表示,消費性電子市場的「特點」是,對品質要求不如其他領域嚴謹,但對於成本則是極度敏感,因此氮化鎵元件要揮軍消費性電子的快充、適配器或無線充電等應用,成本是關鍵之一。張家瑞補充,業者的產品是否願意走向差異化,亦為影響氮化鎵市場發展的原因,也許目前市場看重氮化鎵可以讓適配器或電源供應整體系統尺寸進一步縮小的優點,但終端裝置的「高度」才是大問題。另外一個驅動氮化鎵進入消費性市場的驅動力則是消費者追求「酷炫」虛榮心態,以電競電腦來說,現階段電競電腦除了外型越來越「華麗」、燈光效果十足外,也十分強調電源效率要達到90%以上,甚至100%,這也為氮化鎵元件開啟新市場契機。

戮力推展市場

未來如何讓氮化鎵元件市場規模可以更上一層樓,相信是相關業者們努力的方向。陳清源認為,客戶也許了解氮化鎵元件可為其產品帶來的優勢,但在氮化鎵元件融入整體系統的設計過程中,會遭遇重重挑戰,如何協助客戶跨越設計難關,可能將影響客戶使用氮化鎵元件的意願。因此英飛凌提出完整的方案,例如氮化鎵元件驅動方式與矽元件不同,需要針對不同應用搭配不同的驅動IC,英飛凌也自行開發驅動IC與氮化鎵元件搭配。期透過完整的方案與客戶密切合作,進而累積市場專業知識(know how),克服各種設計難題,提升氮化鎵市場接受度。

張家瑞指出,一個電源供應系統中不是只有氮化鎵,還有其他搭配的元件,因此在設計時,不能僅考慮氮化鎵元件,而是需要從整體系統的角度去查找問題並解決問題,如此內建氮化鎵元件的系統才能從零到開始有更多終端產品問世。

賴振民則認為,大功率應用市場仍是有拒絕使用氮化鎵元件的企業,例如Facebook即曾表示不採用氮化鎵元件建構的系統,因此Panasonic計畫戮力與客戶攜手在低瓦數應用中做出「實績」,向市場證明氮化鎵元件確有其「傲人」之處,相信將可吸引更多廠商接受並使用氮化鎵元件創建電源產品。

本文同步刊登於EE Times Taiwan 9月號雜誌