碳化矽(SiC)市場發展持續增溫。根據市調機構Yole Développement調查指出，全球SiC功率半導體市場將從2017年的3.02億美元，快速成長至2023年的13.99億美元，2017~2023年的市場規模年複合成長率(CAGR)為29%。其中，隨著汽車製造商未來5~10年內於主逆變器、車載充電器(OBC)，以及直流-直流(DC-DC)轉換器等裝置皆陸續採用SiC功率半導體，汽車產業將成SiC市場加速成長的關鍵推手，特別是電動車款的應用。
SiC市場加速攀升 電動車成主要推手
電動車(EV)市場持續蓬勃發展，根據Frost&Sullivan研究顯示，全球EV銷售量將從2017年的120萬輛增加到2018年的160萬輛，並可望在2019年進一步上升至約200萬輛；特別是中國大陸地區，未來5至7年內將成為EV最大市場。為提升電動車整體效能，達到更好的電源轉換效率，在矽(Si)元件已被認為逐漸逼近性能上限之刻，車商、半導體業者開始轉往發展寬能隙半導體，而SiC具備高切換速度、高耐壓與低損耗特性，因而備受汽車產業青睞。
Yole化合物半導體技術和市場分析師Hong Lin表示，SiC功率半導體的普及率，取決於汽車製造商的導入；目前已有汽車業者在主逆變器、車載充電器和DC-DC轉換器中，採用SiC功率半導體。像是特斯拉(Tesla)便已在旗下Model 3電動車中使用SiC金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)元件，來降低導通和開關損耗。
同時，Yole預估2018年全球將會有超過20家的汽車業者，在OBC中使用SiC肖特基二極體(Schottky Diodes)或SiC MOSFET；未來SiC功率半導體在OBC市場中有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。另外，Yole預估將有愈來愈多的汽車製造商會在主逆變器中採用SiC功率半導體，特別是中國車商，近幾年更是紛紛考慮使用SiC功率元件，因此，2017~2023年，SiC功率元件在主逆變器市場的CAGR，更可能高達108%。
羅姆(ROHM)半導體台灣設計中心主任工程師蘇建榮(圖1)指出，SiC剛開發時，容易遇上兩個挑戰，分別是Body Diode的信賴性問題，因為當Body Diode通電時，會造成MOS RDS(on)上升；另一個是在SiC的MOS Gate加上偏壓時，會造成Vth偏移。目前這兩個技術挑戰已獲得解決，因而降低SiC的應用難度，普及率也開始提高，像是上述提到電動車中的肖特基二極體、OBC、PFC，或者是壁掛/直立式的電動車充電樁，都已開始導入SiC。
擴增產能/攜手VENTURI車隊 羅姆力拓SiC市場版圖
如上提到，汽車產業成為SiC市場攀升的關鍵推手，為此，各半導體廠也開始積極布局。例如羅姆便與FIA Formula E電動方程式賽車的VENTURI車隊合作，提供該公司旗下SiC功率模組，搭載於驅動車輛的核心裝置－變流器中，提升車輛性能。
據悉，羅姆於2017~2018第3季FIA Formula E電動方程式賽事中，已提供了二極體(SiC-SBD)於VENTURI車隊，而從第4季開始，將改為提供整合電晶體和二極體的全SiC功率元件。此一元件與尚未搭載SiC的變流器相比較，體積減少了43%、重量減少了6公斤，讓VENTURI車隊的車輛體積更小，重量更輕。
另一方面，因應SiC需求逐步攀升，該公司也決定在日本福岡縣的筑後工廠增建新廠房，以滿足日漸升高的SiC功率元件生產需求。據悉，該新廠房為地上3層建築，總建築面積約11,000㎡。目前正在進行相關細部設計，預計於2019年動工，並於2020年竣工完成。
科銳SiC MOSFET助陣 電動車傳動效率大增
另一方面，為提升電動汽車動力傳動系統性能，科銳(CREE)旗下公司Wolfspeed近日也宣布推出新款1200V SiC MOSFET系列，可實現高電壓功率轉換，提高電動汽車動力傳動系統效率，讓電動車行駛距離更長，同時能夠降低系統成本，為消費者提供更好的綜合性能。
Wolfspeed總經理Cengiz Balkas表示，該公司開發的SiC產品組合，能實現尺寸更小、重量更輕的系統，進而提高每次充電後的行駛里程，這將有效減少電動汽車和汽油車在成本和性能方面的差距，並使汽車供應商和生產商更容易打造電動汽車生態系統。
據悉，新推出的C3M 1200V SiC MOSFET可承受大電流，能在1200V電壓條件下實現目前較低的漏源電阻RDS(on)及開關損耗，並提供更高的品質因數，使得消費者在單次充電之後，能夠行駛更遠的距離。
科銳首席執行長Gregg Lowe指出，全球對於電動汽車的需求日益成長，幾乎所有汽車生產商都宣布在其產品家族中推出新型電動汽車平台，而該公司透過採用新型技術，例如Wolfspeed新型SiC MOSFET產品組合，加快電動汽車的普及。
搶攻電動車市場 英飛凌SiC肖特基二極體發功
除上述所提的羅姆和科銳之外，另一電源晶片大廠英飛凌(Infineon)也瞄準電動車市場，於近期發布首款車用SiC系列CoolSiC肖特基二極體，可用於目前和未來油電混合車和電動車中的OBC。
英飛凌車用高功率部門副總裁暨總經理Stephan Zizala表示，SiC技術現在已趨成熟，可廣泛部署於車用系統中。此款車用CoolSiC肖特基二極體系列的推出，將有助於該公司旗下SiC產品組合在車載充電器、DC-DC轉換器和變頻器系統的部署。
據悉，此一新系列產品採用英飛凌第5代肖特基二極體，運用新的保護層概念，提升元件抗濕氣和抗腐蝕效能，以滿足汽車業對於可靠性的要求。另外，該產品採用110µm的薄晶圓技術，這也意味擁有較低的功率損耗，可以實現更理想的電氣效能。
另外，相較於傳統的Rapid矽二極體，新推出的CoolSiC車用肖特基二極體可在所有負載條件下，將OBC的效率提升1個百分點；且在電動車的一般使用壽命期間，具有降低200公斤二氧化碳排放的潛力(根據德國的能源結構)。
英飛凌指出，第一個650V級別衍生產品將於2018年9月上市，其採用標準的3接腳TO247封裝，可輕易建置於OBC系統中；且這些產品皆經過最佳化，適合結合英飛凌的TRENCHSTOP IGBT與CoolMOS產品使用。
大功率將是SiC主要應用市場
SiC應用逐漸增加，電動車領域更是需求大增。不過，除了電動車之外，未來高功率、高頻的應用市場，也會是SiC元件大展身手的領域。
蘇建榮指出，SiC的架構為垂直架構，因此相較於GaN和Si，SiC可以承受更高的電壓，因而適用於1000V以上的應用市場。以Si而言，目前Si MOSFET多應用在1000V以下，約600~900V之間，若是超過1000V，其晶片體積(Chip Size)會變得很大，以及切換損耗、寄生電容都會跟著提升，另外價格也會大漲，因此較不適用於1000V以上的應用。
至於GaN，目前多是採用矽基氮化鎵(GaN on Si)的設計，運用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)，將GaN擴展在Si基板之上(圖2)，中間再透過一層Buffer Layer連接；而採用此種設計方式的GaN元件，多為水平架構。
圖片來源：ROHM
蘇建榮解釋，採用矽基氮化鎵方式設計出來的產品多為水平架構，因Buffer Layer連結層本身阻抗性很高，若改以垂直架構設計，會使得生產出來的元件導通阻抗過高；而水平架構的GaN，耐壓性相較於SiC，便稍微遜色了些，因此若要用於1000V以上的市場，現今SiC仍是較好的選擇。至於GaN是否能設計成垂直架構？答案是可以的，不過得採用GaN on GaN的方式，但這麼一來單價會很昂貴，且體積較大，這是仍待克服的技術挑戰，因此目前電源晶片商還在研發中，較少業者會採這種方式。
此外，SiC高耐壓、高操作頻率的特性，也使業者除了IGBT，有了新的選擇。蘇建榮指出，用於1000V或是3000V以上應用的IGBT並不少見，不過，IGBT從開到關(On到Off)的切換上，會有所謂的Tail Current，若切換越高，就會造成越多的損耗，所以使得IGBT目前多用於低頻應用(約20~50kHz)，例如工控市場。而SiC具備切換速度快、低損耗的特性，因此在需高壓、高頻的應用市場上，就有其優勢。
也因此，除電動車之外，1200V及以上的應用市場也成為電源晶片商布局重點，相關解決方案相繼出爐。像是英飛凌於2017年便已發布CoolSiC模組「EASY 1B」，更於2018德國紐倫堡電力電子系統及元器件展(PCIM Europe)再推出一系列CoolSiC產品，包括半橋式拓撲CoolSiC模組「EASY 2B」，以及採用62mm半橋式技術的CoolSiC模組。
據悉，2017年發表的EASY 1B，其導通電阻僅11mΩ到45mΩ，適用於太陽能、電動車快速充電系統或馬達驅動；而新推出的EASY 2B模組，每個開關的導通電阻下降到6mΩ到8mΩ，適用於50kW以上及快速切換操作的應用，包括太陽能逆變器、電動車快速充電系統或不斷電系統。至於62mm半橋式技術模組，則具備更高功率，其每個開關的導通電阻僅3mΩ到6mΩ，此封裝有助於實現中功率等級系統的低電感連接，可在各種不同的應用領域中發揮作用，包括鐵道用輔助電源供應等。
英飛凌工業電源控制事業部應用與系統總監馬國偉(圖3)指出，相較於Si功率半導體，SiC裝置更為節能；且由於被動元件的體積縮小，因此提供更高的系統密度，未來幾年將會更加普及於各種應用領域，像是太陽能光電逆變器、工業電源供應、牽引設備、變速馬達及機器人等。
馬國偉說，目前該公司旗下的CoolSiC MOSFET會先以1200V的產品為主，因為在工業應用市場，1200V是最常見的電壓；當然，該公司也會持續推出相關解決方案，依照不同應用需求研發1200V以上/以下、體積更小、導通電阻更低的產品。另外，該公司還運用先進的溝槽式構造設計，實現更佳的閘極氧化層可靠性，進而減小整體系統的體積與提高功率密度。
