寬能隙(Wide bandgap，WBG)半導體在電力電子和高頻電路領域掀起了一場風暴，取代了許多以前由矽基(Si-based)元件主導的應用，例如用於基地台的橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)高功率放大器(HPA)、高壓直流/直流(DC/DC)轉換的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)等。

尤其是在電力電子領域，有些特定應用需要以高開關頻率運作的功率密集解決方案，以便盡可能地降低開關損耗，這早已不是什麼秘密了。

從電動車(EV)中的牽引逆變器、車載充電器(OBC)和高壓DC-DC轉換器，到工業/商業應用中的不斷電供應系統(UPS)和太陽能轉換器，寬能隙半導體為許多下一代電子產品開闢了廣闊的市場。

碳化矽(SiC)基板已在電動車和一些工業應用中確立了一席之地。然而，近來氮化鎵(GaN)持續浮出檯面，成為許多重疊應用的有力選擇。瞭解這兩種功率元件的應用、基板材料在高功率電路中的區別、技術發展及其各自的製造考慮因素，或許能為這兩種持續普及的化合物半導體未來帶來更多啟發。

GaN/SiC功率元件持續成長軌跡

根據Yole Group的統計，2029年全球GaN功率市場將成長超過22.5億美元，2023年到2029年間的年複合成長率(CAGR)達到44%；SiC功率元件市場更預期將在2029年突破百億美元。過去六個月以來，包括GaN和SiC的這一寬能隙功率半導體產業已發佈超過16億美元的投資，包括併購和其他資金投入。

從特斯拉(Tesla)開始在其逆變器中採用SiC以來，時至今日，另一個趨勢正在重塑電動車市場，即以800V快速充電縮短電動車的充電時間。SiC由於具有良好的性能和不斷發展的供應鏈，成為這一發展的關鍵推動力。截至2023年，包括比亞迪(BYD)的Han、現代(Hyundai)的Ioniq5等採用SiC的大量電動車正陸續出貨。

Yole的報告中指出，2023年，英飛凌科技(Infineon Technologies)、安森美(Onsemi)、羅姆(ROHM)、意法半導體(STMicroelectronics，ST)和Wolfspeed等主要的元件供應商營收再次創歷史新高。儘管2024年純電動車(BEV)成長趨緩，預計SiC元件業者整體營收仍持續成長，並於2029年達到近100億美元的市場規模。除了汽車之外，工業、能源和鐵路應用也提供了額外的成長動能。產能建置、業務整合以及新的商業模式等進展，預計將在未來數年內將SiC提升到另一個層次。

另一方面，消費應用則是功率GaN市場成長的主要驅動力。近來的趨勢包括充電器功率容量高達300W，以及家電電源和馬達驅動器帶來更高的效率和緊湊性。除了消費領域外，Yole預計GaN功率元件市場的另外兩個成長催化劑是汽車和資料中心應用，到2029年帶來超過20億美元的市場規模。

2023年，英飛凌以8.3億美元收購GaN Systems是迄今為止該產業最大的交易，另一個重大收購案是瑞薩電子(Renesas Electronics)以3.39億美元收購Transphorm。目前，這一產業正在整合，預計還會有其他併購，並將改變以IDM業務模式為主導的生態系統。

寬能隙材料的優勢

相較於傳統的矽基板，寬能隙材料本質上能夠在更高的開關頻率和更高的電場下運作。當半導體受熱時，由於熱激發載流子在高溫下更為豐富而導通，其電阻往往隨之下降。更寬能隙的半導體需要更高的溫度(更多的能量)來激發電子從價帶(valence band)跨越能隙到導帶(conduction band)。這將直接帶來更強大的功率處理能力和更高的元件效率。

從表1中可以看出，SiC和GaN的擊穿電場、電子遷移率、飽和速度和熱導率都遠高於Si——所有這些因素都能提高開關頻率和功率密度。但是，高開關頻率會導致更多的損耗和更低的場效電晶體(FET)效率，因此最佳化功率元件的品質因數(FoM)，即Rds(on)×Qg，或最佳化通道電阻和閘極電荷以降低傳導損耗和開關損耗至關重要。

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