功率半導(dǎo)體組件與電源、電力控制應(yīng)用有關(guān)，特點(diǎn)是功率大、速度快，有助提高能源轉(zhuǎn)換效率，多年來(lái)，功率半導(dǎo)體以硅（Si）為基礎(chǔ)的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)成為主流，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三類(lèi)半導(dǎo)體材料出現(xiàn)，讓功率半導(dǎo)體組件的應(yīng)用更為多元，效率更高。

MOSFET與IGBT雙主流各有痛點(diǎn)
高功率組件應(yīng)用研發(fā)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)林若蓁博士（現(xiàn)職為臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)研究院研究一所副所長(zhǎng)）指出，功率半導(dǎo)體組件是電源及電力控制應(yīng)用的核心，具有降低導(dǎo)通電阻、提升電力轉(zhuǎn)換效率等功用，其中又以MOSFET（金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管）與IGBT（絕緣閘雙極晶體管）的應(yīng)用范圍最為重要，兩者各有優(yōu)勢(shì)及不足。

MOSFET扮演電源電子控制的角色，依導(dǎo)電特性與通道差異，又可分為NMOS（N-type MOS）、PMOS（P-type MOS）、CMOS（Complementary MOS），在大功率半導(dǎo)體領(lǐng)域中，各種結(jié)構(gòu)的MOSFET發(fā)揮不同作用。IGBT組件為復(fù)合式構(gòu)造，輸入端為MOSFET構(gòu)造，輸出端為BIPOLAR構(gòu)造，具備低飽和電壓、快速切換等特性，但切換速度遜于MOSFET。

傳統(tǒng)以硅（Si）材料為基底的IGBT主要特性為耐高壓、高電流，多應(yīng)用于大功率、大電流的電力設(shè)備或電力基礎(chǔ)設(shè)施，如鐵路電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，缺點(diǎn)是比較無(wú)法縮裝；MOSFET的特性為驅(qū)動(dòng)電流小，多應(yīng)用于變頻導(dǎo)向的3C設(shè)備或消費(fèi)性3C產(chǎn)品，如手機(jī)充電器、小家電產(chǎn)品的變壓器等，缺點(diǎn)是無(wú)法承受過(guò)大的電壓、電流。

在技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用上，MOSFET與IGBT各有痛點(diǎn)待克服。硅（Si）材料因物理性能限制，在高電壓時(shí)，耐受性差、轉(zhuǎn)換效率不佳，而且有散熱問(wèn)題，無(wú)法完全應(yīng)付推陳出新的電子電力產(chǎn)品需求，加上全球暖化日益嚴(yán)重，各國(guó)能源政策積極朝凈零碳排（Net Zero）目標(biāo)前進(jìn)，大家關(guān)注的重點(diǎn)是如何「更節(jié)能、更省能」，此外，因應(yīng)時(shí)代需求，人們追求短、小、輕、薄及好攜帶，如何讓產(chǎn)品縮裝也是一大課題。

第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體提供更多選擇
第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體-碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料興起，有助解決傳統(tǒng)硅基組件遭遇的困境。第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體具備耐高溫、耐大電壓、快速作動(dòng)等特性，可以廣泛應(yīng)用于高功率、高頻和高溫電子電力系統(tǒng)，如電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)車(chē)充電設(shè)備、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能板逆變器、數(shù)據(jù)中心、手機(jī)快充、太空衛(wèi)星、行動(dòng)基地臺(tái)等領(lǐng)域。

碳化硅（SiC）最大的優(yōu)勢(shì)在于高溫與高崩潰電壓耐受力；氮化鎵（GaN）的穩(wěn)定性高，熔點(diǎn)高達(dá)1700度，除了穩(wěn)定性、耐高溫、耐高壓等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擁有良好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性，多應(yīng)用于變壓器和充電器等領(lǐng)域，如需要較大電壓的筆電、平板，以及需要較小電壓的手機(jī)和手表充電產(chǎn)品，能有效縮短充電時(shí)間。氮化鎵（GaN）組件的切換速度是硅基組件的10倍以上，相較于Si，更適合高頻率、高效率的電子產(chǎn)品，包含5G產(chǎn)品。

 

圖一 : 小米生產(chǎn)的GaN 65W快充充電器。（source：小米）

隨著2050年凈零碳排（Net Zero）目標(biāo)逼近，各國(guó)在交通政策與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)上都朝燃油車(chē)電氣化的方向邁進(jìn)，帶動(dòng)整體電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）能同時(shí)應(yīng)用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，尤其碳化硅（SiC）在車(chē)載領(lǐng)域及可靠性上更具優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)車(chē)的系統(tǒng)應(yīng)用方面主要包含逆變器、車(chē)載充電器（OBC）及直流變壓器等。相較于傳統(tǒng)硅基模塊效能，碳化硅（SiC）可減少約50%的電能轉(zhuǎn)換損耗，降低約20%的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)成本，提升電動(dòng)車(chē)約4%的續(xù)航力。

龍頭大廠(chǎng)帶動(dòng)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)能
電動(dòng)車(chē)的充電設(shè)備及充電基礎(chǔ)設(shè)施都需要更高效能的組件。林若蓁指出，碳化硅（SiC）組件市場(chǎng)主要由汽車(chē)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)，比方特斯拉（Tesla）電動(dòng)車(chē)款Model 3率先應(yīng)用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的SiC MOSFET，帶動(dòng)多家電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)商導(dǎo)入SiC材料。Model 3驅(qū)動(dòng)逆變器（Traction Inverter）部分舍棄傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET），開(kāi)啟全球第三類(lèi)半導(dǎo)體擴(kuò)產(chǎn)潮。至于氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)則由消費(fèi)性產(chǎn)品（如手機(jī)快充）、電信/通訊（如數(shù)據(jù)中心、太空衛(wèi)星通訊）及汽車(chē)產(chǎn)業(yè)（如電動(dòng)車(chē)內(nèi)較小電壓的DC-DC converter）所帶動(dòng)。

Yole Developpement研究機(jī)構(gòu)報(bào)告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模成長(zhǎng)至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11億美元。預(yù)估2027年碳化硅（SiC）功率組件市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)63億美元，氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)可達(dá)20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率組件市場(chǎng)的復(fù)合年成長(zhǎng)率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率組件市場(chǎng)的復(fù)合年成長(zhǎng)率（CAGR）為34%。除了消費(fèi)性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率組件，氮化鎵（GaN）功率組件導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備電源的速度也愈來(lái)愈快。


 
圖二 : 碳化硅功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估。（source: Yole Developpemen）



 
圖三 : 氮化鎵功率半導(dǎo)體材料的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估。（source: Yole Developpemen）

知名業(yè)者如氮化鎵（Gan）功率IC龍頭納微半導(dǎo)體（Navitas）、美商Transphorm積極與半導(dǎo)體代工廠(chǎng)結(jié)盟，搶占市場(chǎng)，至于碳化硅（SiC）以IDM為主，重量級(jí)業(yè)者包含英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、羅姆半導(dǎo)體（Rohm）等，其中，意法半導(dǎo)體同時(shí)跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領(lǐng)域；英飛凌、安森美半導(dǎo)體（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術(shù)。

8吋碳化硅晶圓成為兵家必爭(zhēng)之地
看好第三代半導(dǎo)體未來(lái)發(fā)展，各大廠(chǎng)布局動(dòng)作頻頻，如英飛凌今年2月宣布，投資20億歐元提升第三代半導(dǎo)體的制造能力；安森美半導(dǎo)體宣布，2024年起碳化硅年銷(xiāo)售額將達(dá)10億美元，同時(shí)計(jì)劃2025年前將碳化硅前道工藝?能擴(kuò)大到目前的10倍以上，據(jù)傳安森美與特斯拉已達(dá)成碳化硅（SiC）長(zhǎng)期協(xié)議。

氮化鎵功率半導(dǎo)體全球領(lǐng)導(dǎo)者GaN Systems指出，全氮化鎵車(chē)輛有助改善全球暖化問(wèn)題，提早達(dá)成凈零碳排目標(biāo)。電動(dòng)車(chē)的逆變器可將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，使用GaN晶體管可獲得更高的能源效率，行駛里程延長(zhǎng)5%以上。有鑒于GaN Systems產(chǎn)品應(yīng)用在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)電源等領(lǐng)域日益廣泛，今年2月GaN Systems宣布，擴(kuò)大3倍營(yíng)運(yùn)團(tuán)隊(duì)規(guī)模。



 
圖四 : 全氮化鎵車(chē)輛實(shí)現(xiàn)凈零碳排（Net Zero）目標(biāo)。（Source：GaN Systems）

市場(chǎng)預(yù)估，未來(lái)8吋晶圓及基板可能成為兵家必爭(zhēng)之地。除了沃孚半導(dǎo)體、羅姆半導(dǎo)體、Ⅱ-Ⅵ已推出8吋碳化硅基板，英飛凌、意法半導(dǎo)體、安森美等大廠(chǎng)也積極布局8吋碳化硅晶圓產(chǎn)線(xiàn)。



 
圖五 : 未來(lái)8吋晶圓及基板可能成為兵家必爭(zhēng)之地。（Source：Wolfspeed）

大規(guī)模商業(yè)化之前先降低成本
不過(guò)，第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體在技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用上并非全無(wú)缺點(diǎn)，「第三類(lèi)半導(dǎo)體因技術(shù)發(fā)展限制，成本尚未達(dá)到甜蜜點(diǎn)，而且各半導(dǎo)體有適合的應(yīng)用范疇，無(wú)法大量取代硅基半導(dǎo)體市場(chǎng)?！?br/>
林若蓁進(jìn)一步說(shuō)明，碳化硅成本高居不下，主因在于基板和磊晶的制程困難，直到現(xiàn)在，碳化硅晶圓的成本仍占碳化硅組件的6成左右，需要發(fā)展更先進(jìn)的技術(shù)與制程，才能因應(yīng)日漸提升的碳化硅產(chǎn)能。氮化鎵目前以發(fā)展水平式組件為主，但水平式GaN磊晶于硅基板上，做到大尺寸晶圓容易裂掉，而晶圓尺寸無(wú)法做大也意味著成本難以降低。

目前看來(lái)，第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體似乎較硅基半導(dǎo)體更符合新興產(chǎn)業(yè)與電子產(chǎn)品需求，如電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)為了追求更高效能、更快的充電時(shí)間、更長(zhǎng)的里程數(shù)，以及產(chǎn)品體積及重量更為輕巧，愈來(lái)愈多車(chē)廠(chǎng)導(dǎo)入SiC材料，并以SiC MOSFET取代傳統(tǒng)硅基的IGBT。至于消費(fèi)性3C產(chǎn)品，可以看到GaN MOSFET逐漸取代Si MOSFET，這些變化都是為了使電子產(chǎn)品更節(jié)能，達(dá)凈零碳排目的。

IGBT、MOSFET、SiC、GaN的未來(lái)
隨著5G、高階手機(jī)等消費(fèi)性電子產(chǎn)品及電動(dòng)車(chē)、綠能蓬勃發(fā)展，電源組件的高功率與高壓等需求勢(shì)必愈來(lái)愈重要，未來(lái)，IGBT、MOSFET、SiC、GaN組件的發(fā)展可能出現(xiàn)何種變量？

對(duì)此，林若蓁透過(guò)Navitas發(fā)布的產(chǎn)品信息進(jìn)一步說(shuō)明，相較于傳統(tǒng)Si組件，一般電廠(chǎng)于電網(wǎng)到發(fā)電站（如火力、風(fēng)力、太陽(yáng)能等發(fā)電）間，若全數(shù)改用GaN功率組件作為能源轉(zhuǎn)換器（逆變器與轉(zhuǎn)換器），可有效降低4-10倍的碳足跡，若沿用至2050年，每年將省下26億噸的CO2排放量。如今，多數(shù)電源組件都朝「節(jié)能、縮裝」的目標(biāo)前進(jìn)，未來(lái)第三類(lèi)半導(dǎo)體的出海口，在碳化硅的部分主要是由電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)，以及再生能源與智慧電網(wǎng)等基礎(chǔ)電力設(shè)備；氮化鎵功率組件可以應(yīng)用于消費(fèi)性產(chǎn)品、太空衛(wèi)星通訊或各國(guó)數(shù)據(jù)中心。

各國(guó)和地區(qū)都希望掌握這些戰(zhàn)略物資，但是，晶圓的制作成本占比高，如能將晶圓尺寸做大，達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化，必能使碳化硅及氮化鎵的市場(chǎng)更為擴(kuò)大。2022年4月，碳化硅晶圓龍頭廠(chǎng)商沃孚半導(dǎo)體（Wolfspeed）已于美國(guó)紐約成立全球首座200mm SiC廠(chǎng)，也是最大的8吋碳化硅（SiC）晶圓廠(chǎng)，以擴(kuò)大制造產(chǎn)能。未來(lái)，隨著第三類(lèi)半導(dǎo)體材料可應(yīng)用的產(chǎn)品比例增加，可以減少更多能源浪費(fèi)，落實(shí)節(jié)能減碳。

林若蓁認(rèn)為，各類(lèi)型的半導(dǎo)體有其適合應(yīng)用之處，未來(lái)不論是硅基的IGBT、MOSFET或是以SiC為基底的IGBT、MOSFET，都會(huì)根據(jù)所需效能及材料特性，找到適合的應(yīng)用場(chǎng)域。以電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，SiC逆變器（Inverter）可耐高壓、大電流，是電動(dòng)車(chē)電池動(dòng)力提升的關(guān)鍵，目前主流為800V的碳化硅組件電動(dòng)車(chē)，電動(dòng)車(chē)電壓越高，越能節(jié)省充電時(shí)間，提高電動(dòng)車(chē)的續(xù)航力；1200V或許未來(lái)有機(jī)會(huì)應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)，而1700V及3300V的碳化硅組件可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電或電網(wǎng)傳輸上。氮化鎵使用于電子設(shè)備，可以達(dá)到更佳的變頻效果，汽車(chē)的DC-DC converter或是雷達(dá)偵測(cè)端等設(shè)備運(yùn)作需要電流快速轉(zhuǎn)換，這部分就適合采用氮化鎵材料作為主要應(yīng)用。

押寶次世代功率半導(dǎo)體
TrendForce研究預(yù)估，2022年車(chē)用SiC功率組件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)10.7億美元，2026年將攀升至39.4億美元。工研院產(chǎn)科國(guó)際所（IEK）調(diào)查報(bào)告指出，全球化合物半導(dǎo)體市值預(yù)計(jì)2025年將達(dá)1,780億美元，化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模雖不如第一類(lèi)硅基半導(dǎo)體，但年復(fù)合年成長(zhǎng)率高于第一類(lèi)半導(dǎo)體。隨著智能型手機(jī)3D感測(cè)、電動(dòng)車(chē)及5G需求爆發(fā)，電動(dòng)車(chē)半導(dǎo)體功率組件需要更高的轉(zhuǎn)換效率，承受更高的電壓，第三類(lèi)化合物半導(dǎo)體（如GaN、SiC）相較于第二類(lèi)化合物半導(dǎo)體（如GaAs、InP）、第一類(lèi)硅基半導(dǎo)體更為適合。

整體而言，次世代功率半導(dǎo)體（如SiC、GaN、Ga2O3等）的性能優(yōu)于硅（Si），尤其是SiC功率半導(dǎo)體，受惠于資通訊、能源、汽車(chē)/電子設(shè)備需求強(qiáng)勁，身價(jià)水漲船高。日本富士經(jīng)濟(jì)特別針對(duì)電動(dòng)車(chē)與可再生能源相關(guān)的功率半導(dǎo)體全球市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，由于2030年碳中和及2050年凈零碳排目標(biāo)逼近，加上電動(dòng)車(chē)與可再生能源的普及率明顯提升，預(yù)估2030年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)5兆3,587億日?qǐng)A，推升次世代功率半導(dǎo)體需求，規(guī)?？赏?兆日?qǐng)A。若以每臺(tái)電動(dòng)車(chē)需使用250個(gè)功率半導(dǎo)體組件計(jì)算，化合物半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模成長(zhǎng)性令人期待。