有鑒于全球環保意識抬頭，碳化硅(SiC)與氮化鎵(GaN)兩種功率轉換材料備受矚目。其中，碳化硅掌握早期開發優勢，其功率模組在再生能源與車用電子領域，商機已紛紛涌現。而主要鎖定低功率市場的氮化鎵，則將緩步進軍中功率市場。

可以彌補天然能源不足缺口的再生能源設備，為聚焦于中功率、高功率應用的碳化硅創造大量需求。另一方面，近期豐田汽車(Toyota)在電動車中導入碳化硅(SiC)組件的測試結果也已出爐，其在改善能源效率、縮小電源控制系統(PCU)尺寸上的效果，明顯勝過硅組件。

圖1、Toyota碳化硅測試用車

臺達電技術長暨總經理張育銘表示，以前電力電子的廠商其實不多，不過近期隨著碳化硅、氮化鎵的半導體組件越來越多，這部分的市場是值得期待的。另外，若以功率設備來看，傳統的火力發電、核能發電所用的電力電子比較少，不過新興再生能源就不同了，風力電發電中的電力轉換器扮演相當重要的角色，而太陽能發電的光伏逆變器(PV Inverter)，所占比重也很重。

并購Wolfspeed　英飛凌強化碳化硅事業

主要受益于碳化硅技術的領域除了再生能源，還有車用電子。在此趨勢的推波助瀾下，功率半導體供應領導廠商英飛凌(Infineon)，今年7月以8.5億美元大舉并購Cree旗下的Wolfspeed功率與射頻(RF)部門，并且明確表示，碳化硅芯片未來將逐漸與硅芯片并駕齊驅，尤其是在電動及混合動力汽車市場上。

Wolfspeed是SiC功率及GaN-on-SiC射頻功率解決方案的主要供應商，其核心能力包括碳化硅晶圓基板制造以及射頻功率應用的碳化硅單晶氮化鎵層，英飛凌計畫在2016年底前完成這項交易，藉以協助英飛凌擴大在物聯網、電動車以及再生能源等全球快速成長市場領域的布局。

然而，豐田汽車(Toyota)也隨之在測試結果中證明，在電動車中導入碳化硅，表現明顯勝過于硅組件。Toyota專案總經理濱田公守表示，為達成“豐田環境挑戰2050”的目標，豐田積極發展下世代車用功率半導體。近年來豐田開始嘗試在電動車中導入碳化硅MOSFET、碳化硅JBS二極體，并于2015年2月開始進行實車路測。

濱田公守進一步指出，測試結果發現，碳化硅組件可改善能源效率的關鍵技術，其表現明顯勝過于硅組件。在采用碳化硅的電源控制系統中，具備更高頻率的控制，且功率模組、線圈、電容器的尺寸也明顯縮小。不過同時，他也表示，未來并不排除采用氮化鎵作為提升燃料效率的功率半導體。

不僅如此，羅姆(ROHM)也于日前宣布與Venturi電動方程式賽車車隊(Venturi Formula E Team)，締結為期3年的技術伙伴契約，該車隊長期參與FIA電動方程式賽車錦標賽。自10月9日開幕的第3季起，羅姆將提供碳化硅(SiC)功率組件，運用在賽車馬力核心的變流器中，協助賽車小型化、輕量化和高效率化。

該公司于2010年開始量產SiC MOSFET，并持續研發先進組件。汽車領域方面，急速充電用的車用充電器，獲得相當高的市占率，碳化硅使用在電動汽車(EV)馬達和變流器也迅速普及。

和傳統賽車不同之處在于，電動方程式賽車的管理電力能力非常重要，如何有效率地活用電池儲備的電力，左右了賽事的勝敗。

Venturi Formula E Team技術長Franck Baldet表示，電動方程式賽車的本質就是管理電力。能與羅姆締結合作關系，將能夠帶動賽車的整個電力系統進化，進一步提升馬達的速度。

ROHM離散式組件制造本部兼模組制造本部董物東克己表示，非常期待日后能在跑道上證明我們公司產品的品質和效率。近期SiC功率組件，可望進一步活躍于油電混合車和電動汽車領域。羅姆希望能對多種產業、社會更多領域，提供更具經濟效益的技術，并在轉換能源政策上位居重要的地位。

分立組件方便性不足　功率模組聲勢看漲

針對碳化硅將大幅增強對功率模組(Power Module)需求的部分，張育銘表示，采用功率模組的原因在于，如果使用分立組件(Discrete)的話，工程師就必須自行并聯，得考慮到IGBT、MOSFET參數是否一致，對設計公司來講，是不切實際的，因此須要模組廠商來解決這個問題。

碳化硅是一種特別的多晶體材料，常見的有4H-SiC、6H-SiC、15R和3C，碳和硅的比都是1：1，但是在這個基礎上，可以形成200多種晶體結構，其中4H最適合用來做垂直型功率組件，而里面最穩的就是3C結構，再搭配斜切角度的基板(Substrate)，來進行晶圓的外延伸長(圖2)。

圖2、碳化硅材料以4H-SiC為基板，進行晶圓外延伸長。

談到目前碳化硅晶圓的市場情形，Epiworld總經理馮淦表示，現今應用最為廣泛的是4寸晶圓，而6寸的市場需求量也越來越高，不過從4寸到6寸的轉變并沒有預期的快，雖然6寸的價格成本更有優勢，但主要問題在于6寸碳化硅的外延材料品質，還無法達到一定水準。他認為，在2~3年內，4寸的商機仍是可期的。 除了碳化硅組件備受矚目，擁有中、低功率應用優勢的氮化鎵(GaN)組件也緊追在后。

Yole Developpement功率電子暨化合物半導體事業單位經理Pierric GUEGUEN表示，由于對熱管理和接面溫度技術革新的高度需求，功率電子著實已成為材料創新應用的新興領域，其中的碳化硅與氮化鎵正在徹底改變整體的供應鏈與封裝結構。

Pierric Gueguen認為，碳化硅主要適用于600V以上的高功率應用，氮化鎵則適用于200～600V中功率應用。不過根據Yole的預測，到了2020年，氮化鎵將進一步往600～900V發展，屆時勢必會開始與碳化硅產生競爭關系。

2020年成長率將達83%氮化鎵具高密度優勢

由于氮化鎵鎖定中低功率應用，其應用市場規模要大于中高功率，因此Yole預估，氮化鎵組件2015年~2021年的成長率將達83%，其中電源供應器將占相當大的一部份，近六成左右，而碳化硅同期的成長則相對緩慢，成長率約在21%左右。

GaN Systems亞洲高級營銷總監Charles Bailley表示，就電學性質與物理特性來相比，氮化鎵與碳化硅皆采寬帶隙技術，碳化硅的熱導率3.5W/m-K高于氮化鎵1.5W/m-K，因此較適用于高功率應用。

Charles Bailley指出，不過，在二維電子氣(Two Dimensional Electron Gas, 2DEG)的遷移率上，氮化鎵(1800μ)明顯略勝碳化硅(125μ)一籌(圖3)，此也是氮化鎵能達到高效率和高電源密度的原因。

圖3、氮化鎵在2DEG遷移率上的優勢，是其擁有高電源密度的關鍵。