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改變中的功率元件 寬能隙半導體,功率競技

本文作者:任苙萍       點擊: 2019-04-09 15:56
前言:
 
 

 
在第一代半導體材料——矽(Si)、鍺 (Ge) 元素逼近物理極限後,以砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、磷化銦 (InP) 為代表的第二代便開始走向「化合物」;惟因資源稀少性和環境污染問題,加上電子器件性能不斷提升、對工作溫度/輻射/功率的要求亦隨之拉高,第二代顯得力有未逮,於是促成了第三代「寬能隙」(Wide Bandgap, WBG) 材料興起,以碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 最受矚目;在擊穿強度 (Breakdown Strength)、熱導率 (Thermal Conductivity) 和電子飽和漂移速度 (Drift Velocity) 具有優勢,意謂:高效率、低損耗,並可將功率器件小型化。
 
Market Study Report 預測,SiC 和 GaN 功率器件市場 2018 年估值為 3.2 億美元,預計 2025 年將達到 3.08 億美元,預測期內的年複合成長率 (CAGR) 為32.5%。那麼具體而微,SiC 與 GaN 有何差別?就物理特性而言,兩者的「頻隙」(頻帶寬度,攸關能量) 在伯仲之間,意即電壓擊穿能力不相上下,但導熱率表現就高低立判了:碳化矽的導熱係數高於氮化鎵、可耐受更高電壓;且功率密度大、相同的尺寸能處理更多電流,更適合大功率應用。以往,碳化矽和氮化鎵常以 600V 或 650V 為界——高壓由 SiC 撐場,需要高速開關的中、低壓傾向 GaN。
 
只是,隨著製程技術的不斷前行,這樣的界線正在上移,已有人提出 900V 以下的應用皆是氮化鎵能力所及者,為原本自消費電子切入的 GaN 創造更多機會;另 5G 高頻通訊及去中心化特性對功率放大器 (PA) 依賴日深,亦成 GaN 絕佳舞臺。然而,碳化矽也沒就此停頓,正努力朝更高壓發展以因應更多工業/汽車的超大動力所需;與此同時,基於設備及人身安全考量,連帶催生「隔離器」及電路板佈局之模擬分析的需求。此外,就在 SiC 和 GaN 競合之餘,新成員——氧化鎵 (Ga2O3) 正翩然駕臨,可望填補 AC-DC 轉換等低頻、高壓應用區間。
 
當人們的日常生活越來越離不開電子產品、功率器件越來越重要,寬能隙半導體,正在競逐著他們的輝煌!
 

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