碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)是近年來最受矚目的化合物半導體新秀，除了應用在無線通訊之外，這兩種寬能隙材料在功率半導體領域，也有很大的發展潛力。相較於以矽為基礎的超接面場效電晶體(Super Junction MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，GaN跟SiC最大的優勢在於可以實現更高的開關頻率、耐受電壓也更高，使電源系統的效率得以明顯提升。
另一方面，隨著電動車、電池儲能系統兩大應用展現出雄厚的市場潛力，雙向電力傳送又是車載充電器、充電樁與儲能電池轉換器必備的基本功能，這將使圖騰柱功率因素校正(Totem Pole PFC)拓撲成為車廠、Tier 1、充電設備商與儲能設備商在開發相關產品時的最佳選擇。而圖騰柱拓撲的流行，將會為GaN跟SiC功率元件搭起全新的舞台，因為現有的矽功率元件不適合用來實現圖騰柱拓撲。
電動車/綠能雙箭頭帶動 SiC搶攻高電壓市場
羅姆半導體(Rohm)設計中心副理唐仲亨(圖1)分析，就市場應用面來看，電動車的車載充電器、為電動車供電的充電樁，以及搭配太陽能、風力發電系統所使用的大型儲能系統，會是寬能隙功率元件最具主場優勢的應用。因為這類應用需要具備雙向電力傳送的能力，因此不管是車載充電系統、充電樁或儲能系統的轉換器，都需要採用圖騰柱拓撲。然而，圖騰柱拓撲需要使用兩個體二極體作為高頻整流開關，除了驅動控制較為複雜，如果使用傳統矽二極體，因為其恢復時間較慢，電流倒灌所引發的損耗大，會嚴重降低電源轉換的效率；如果採用IGBT，雖然其恢復時間夠快，但IGBT的導通壓降比較大，也會產生很高的效率損失。
因此，如果電源設計者想實現圖騰柱拓撲，最理想的選擇將是GaN或SiC。不過，如果是充電樁或大型儲能系統，甚至軌道運輸這類應用，因為其功率需求都非常高，在此前提下，SiC會是比GaN更合適的選擇。目前已經商品化的GaN FET，耐受電壓通常為600V或650V，但SiC則是1,200V起跳，未來更會一路向上發展到3,300V。在需要超大功率傳輸的應用上，SiC具備先天優勢。
另一方面，學術界目前在提高GaN FET的耐受電壓方面，最近已有所突破，成功地將GaN FET的耐受電壓提高到900V。但唐仲亨認為，從應用面的角度來看，這個耐受電壓規格其實有些尷尬。他解釋，在一般家電或消費性電子產品應用，如果要推出一款可以適用全球電壓的產品，母線電壓的規格通常會訂在400V，對功率元件的耐壓要求則會落在600V或650V。如果是工業用產品，因為是三相供電，所以母線電壓會提高到800V，功率元件的耐壓要求則是1,200V，或是在某些特殊的系統設計中，仍可使用耐壓650V的元件。900V耐壓對GaN FET來說，有技術發展里程碑的意義，但從實際應用的角度來看，因為消費性電子不需要900V耐壓，主流工業設備則需要1,200V耐壓，所以GaN FET耐壓提高到900V，其實無助於拓展GaN FET的應用市場。
SiC價格仍高 供應商想方設法降成本
以目前的市場行情來說，650V GaN FET的價格，大約只有1,200V SiC FET的三成左右。因此，如果SiC元件供應商想搶攻650V以下的應用，是相當困難的挑戰。這也帶出了SiC元件在應用推廣上一直遇到的瓶頸–價格問題。SiC材料的價格本來就比矽跟GaN高出一大截，因此，如果要比元件價格，SiC先天上就處於不利地位。這也使得SiC元件供應商必須設法從兩個面向來解決問題，一是降低元件本身的成本，二是幫助客戶降低系統總成本。
目前SiC元件供應商的生產線多半都還在從四吋晶圓提升到六吋晶圓的過程中，例如羅姆目前就是四吋跟六吋各半，僅英飛凌(Infineon)已經全面採用六吋晶圓量產。另一方面，目前投入SiC元件市場的業者，很多都還採用平面結構，這使得元件的裸晶尺寸(Die Size)很難持續降低。相較之下，採用溝槽式結構的SiC元件，理論上會有更大的尺寸微縮空間。不過，目前採用溝槽式結構的SiC元件供應商，也只有羅姆跟英飛凌兩家。
英飛凌(Infineon)工業電源控制事業處主任工程師林彥任(圖2)表示，其實該公司會選擇溝槽式結構，主要還是從提高元件可靠度的角度切入。工業電源領域最重視的還是元件可靠度，採用平面結構的SiC，在技術上很難做到跟IGBT媲美，但溝槽式架構可以將SiC元件的可靠度拉高到接近IGBT的水準，這是英飛凌決定走溝槽式路線的最主要原因。但不可諱言的是，溝槽式結構理論上確實也有較大的成本降低空間。因為溝槽式結構是在垂直方向上發展，所以比起平面式結構，單一元件占用的晶圓面積可以做得比較小。
值得一提的是，除了量產使用的晶圓大小、裸晶尺寸外，在降低生產成本方面，英飛凌還把腦筋動到晶圓的厚度上。由於SiC材料的硬度較高，相對也比較脆，因此在從晶柱切割出晶圓時，為避免破片，每片晶圓的厚度遠超過後續元件製程所需的厚度，形成材料浪費。再加上SiC材料本來就貴，因此若能降低晶圓的厚度，對降低元件生產成本，可以帶來極大幫助。
這也是英飛凌先前決定斥資1.24億歐元購併Siltectra的原因之一。Siltectra擁有獨特的Cold Split切割技術，可以在碳化矽晶圓完成製程步驟後，將一片晶圓再等分切割出第二片，等於讓材料利用率提升一倍。目前碳化矽晶圓供應商提供的晶圓，厚度可達350微米，但如果是要用來製造FET元件，其實晶圓厚度只需現有晶圓的數十分之一便已足夠。Cold Split技術讓英飛凌得以把一片晶圓當成兩片用，而且不會影響晶片的良率跟特性。
至於在降低客戶的系統總成本方面，英飛凌的評估認為，雖然SiC元件跟現有元件有明顯價差，且在可預見的未來，都很難做到比矽元件便宜，但如果能將切換頻率拉高到40kHz，則整個電源系統的成本，將因為磁性材料等周邊元件用量減少，而帶來15~20%的節省效果。
GaN主攻消費性/伺服器電源 高整合方案勢在必行
相較於主攻高電壓應用市場的SiC，GaN則是靠著高速切換、低損耗且價格較貼近現有矽元件的優勢，可望在消費類及IT基礎建設領域找到應用商機。然而，由於GaN的材料特性與矽不同，使得GaN HEMT(或稱GaN FET，因其功能與MOSFET相當，但基於GaN材料，故稱為GaN FET以資區別)跟工程師已經十分熟悉的MOSFET，在驅動跟控制方法上有許多出入，再加上GaN FET若要完全發揮其高速切換的潛力，必須把驅動控制跟FET整合在一起，這將使得以GaN功率元件走向以高整合度為主流的發展道路。
德州儀器(TI) GaN、電源管理與半導體營運成長及戰略行銷長Masoud Beheshti便認為，雖然GaN具備掀起電源設計革命的能力，但對元件供應商而言，如果要促成應用普及，高整合度的產品設計相當關鍵。高整合度意味著元件供應商可以幫客戶考慮得更周詳，把GaN HEMT設計導入時可能遇到的問題預先解決，並且把驅動做到最佳化。這可以讓客戶在開發產品時省下許多寶貴的時間跟資源。
TI本身在GaN領域的產品線規畫，就是以驅動、保護及HEMT三合一整合的方案為主軸。藉由高度整合，TI的GaN產品在閘極驅動器電路內有效減少寄生電感，使設計工程師能夠切換至高於100V/ns的高壓。這個方法比原先分離式GaN的解決方案快上兩倍，而且在轉換時降低系統功耗達50%以上。同時，對工業應用所要求的高可靠度，也因為TI的產品已經把保護功能整合在一起，使GaN功率元件的可靠性疑慮，例如振鈴、電壓應力問題獲得解決。
也因為高度整合的緣故，TI目前已經有能力針對多種電源應用提供完整的參考設計解決方案，包含伺服器電源、機器手臂的馬達驅動等。
事實上，除了TI之外，許多在GaN領域布局的新創公司，例如Navitas、Exagan，都是主打類似的高整合度策略，但其產品推廣的優先重點是放在USB PD充電器上，而非進入門檻較高的伺服器電源或工業電源。其他供應商如英飛凌、GaN Systems則是提供分立的GaN功率元件，如GaN Systems只提供HEMT，英飛凌則同時提供HEMT與配套驅動器，剛宣布進軍GaN功率元件領域的意法半導體，將先推出GaN HEMT，但其產品發展路線圖中，已有整合式產品的推出計畫。
高頻切換/高電壓考驗絕緣 品質測試更需嚴謹
基於寬能隙材料的功率元件，最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上。然而，高頻操作過程中會出現高於工作電壓的突破，因此元件的絕緣材料在其生命週期中，必須承受更多衝擊次數。為確保元件的絕緣性能不僅可符合安全法規要求，還要在生命週期中不出差錯，元件製造商必須對產品進行更嚴謹的局部放電測試。
致茂電子電氣安規測試產品部工程師劉程偉(圖3)表示，寬能隙材料是功率元件領域的新星，其高速切換能力所帶來的高能量密度與低損耗特性，可以為許多應用創造更高的價值，例如電動車的行駛里程提升、充電樁的快充功能等。然而，高速切換特性也會使元件的絕緣材料在其生命週期中受到更多次電壓衝擊，導致絕緣性能劣化的問題提前浮現。
功率元件切換速度加快，元件商更需重視絕緣劣化議題。
事實上，目前電動車所使用的IGBT，其切換速度便可達10k~20kHz。因此，為確保元件在其生命週期中，不會因為絕緣材料劣化而引發人身安全事故，國際電工委員會(IEC)早已訂定強制性安規，要求這類元件必須通過絕緣(Insulation)跟局部放電(Partial Discharge)測試。
然而，僅通過安規測試，對於品質要求嚴格的客戶族群，如汽車業來說，是不夠的。因此，為了協助元件製造商滿足這類客戶的要求，致茂推出的局部放電測試器Chroma 19501-K除了設計上符合IEC 60270-1與IEC60747-5-5法規要求，並內建IEC 60747-5-5的測試程式外，還額外添加了使用者可自行定義的第三個測試階段，以滿足額外的品質測試要求。
19501-K支援的交流電壓輸出最大可達10kV，漏電流量測範圍從0.01uA~300uA，局部放電偵測範圍最小可偵測1皮庫倫(pC)放電量。如果測試工程師想對元件進行額外的品質測試，可以在絕緣測試跟局部放電測試這兩個法規要求的閾值之間，再添加一個自行定義的測試閾值跟測試時間。
此外，為了避免待測物未能正確及良好地連接到測試器，導致錯誤的測試結果甚至漏測情況發生，該測試器還具備四線式接觸檢查功能，可自動偵測待測物跟測試器的連接狀態是否正確。
在測試器硬體架構上，致茂採取測試單元跟顯示/控制單元分離的做法，這點跟市面上其他的局部放電測試器有很大的區別。劉程偉表示，把測試單元跟顯示/控制單元做成單機，最大的問題是探測接頭跟設備之間，可能會需要拉一條長導線，而導線越長，測試訊號在導線中被干擾的問題往往越嚴重，特別是在局部漏電的訊號本身非常微小，只有皮庫倫等級的情況下。因此，待測物跟測試單元間的實體距離應越短越好。這是致茂選擇將測試單元獨立出來最主要的原因。
整體來說，對元件製造商而言，絕緣材料劣化是公司商譽最大的威脅，因為這類問題如果在元件出廠時沒有做好把關，常常會在客戶端，甚至客戶的終端產品都已經賣給使用者一段時間之後才會被發現，衍生的產品召回跟賠償問題會相當嚴重。因此，高壓元件的製造商，對於局部放電測試都不應輕忽。
