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電動車電子元件材料GaN和SiC相互競逐

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2020年1月15日

圖、電動車電池新半導體材料GaN和SiC誰將勝出?

最近,保時捷(Porsche)新發表首款純電動跑車Taycan Turbo,其800V逆變器就是採用CREE旗下Wolfspeed生產的SiC MOSFET半導體,以改善能耗及快速充電。未來,氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)等新世代半導體材料技術,內裝電子元件應用使用三五族化合物半導體在未來的科技應用具舉足輕重之地位。

目前,電動車電池的價格仍非常昂貴,加上其體積大且效率低,正成為許多公司積極改進的對象。但是現今出現的兩種半導體技術,氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)可能改進電動車電子元件材料的問題。其實,SiC與GaN皆屬於第三代寬能隙WBG材料,各有優缺點。
 
碳化矽SiC材料方面
以SiC來說,碳化矽結合MOSFET不僅可以做得更薄、能耗更小,且可耐1200V以上的高電壓、大電流等功用,採用SiC全球功率半導體廠包括ROHM、英飛凌、意法、安森美等。目前,LED大廠CREE是SiC基板發展最為成熟的廠家,已與英飛凌簽訂長期的SiC基板供貨合約。同時,電動車大廠特斯拉已率先大量導入車用SiC功率元件,傳統車廠的高階電動車款也都已積極採用。台灣業者漢磊、嘉晶在SiC布局最久,預計2020起將可望小量出貨。
 
但由於SiC晶體材料量產速度仍慢,目前仍限制在4吋與6吋,而在8吋上還無法量產,再加上成本仍遠高於傳統矽基材料。所以,預期在短期內導入SiC功率元件仍以高階電動車種為主,市場預估未來三~五年功率半導體市場仍將以傳統矽基材料元件為主流。
 
GaN材料方面
至於GaN材料,目前最多用在LED上,但GaN早被使用在功率半導體與射頻元件上,由於GaN材料電子飽和漂移速率最高,適合應用在高頻率元件,但在高壓高功率部分則GaN不如SiC。歷經多年發展,傳統矽基半導體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻製程步驟,都已成功應用到化合物半導體製造上,加上生產成本降低,GaN有望在中低功率領域替代二極體、IGBT、MOSFET等矽基功率元件。根據Yole Research估計,在900V以內的低壓市場,GaN都有很大的應用潛力。
 
台廠業者在GaN半導體代工已有一定的實力,有:全新、穩懋、晶電。其中,晶電甚至可以做到從磊晶到晶片一條龍服務,實力有機會與台積電、世界先進並列。

各廠商競逐SiC或GaN

特斯拉決定在其Model 3車內納入SiC電晶體而被視為該產業的重要里程碑。由於,SiC1200伏特電壓下的效能超越矽和GaN而確立了其地位,現今其希望在600900伏特電壓下,進入電動車市場。至於GaN200900伏特的電壓下效能勝過矽,也為其在電動車市場打開了一扇窗。

隨著2020年汽車工業迅速轉向電動車,預計將為更多瞄準半導體新創公司帶來新商機。

在最成熟的GaN新創公司中,有位於安大略省渥太華的GaN Systems和位於加州的El Segundo的Navitas Semiconductor,已經確認其在電源開關組件中佔有一席地位。

其他值得注意的GaN新創公司包括Ithaca,位於紐約的Odyssey Semiconductor和以色列的VisIC Technologies,這幾家公司都正在開發高壓電源開關和模組。 至於位於El Segundo的Efficient Power Conversion(EPC)和Goleta,以及位於加州的Transphorm都是值得注意的GaN新創公司。

至於SiC方面,全球最大的純碳化矽公司Cree於2019年宣布,將投資10億美元擴大北卡羅來納州總部Durham的製造能力,並在紐約州北部建造新的製造工廠。其他較小的碳化矽公司包括維吉尼亞州的GeneSiC Semiconductor,紐澤西州的聯合碳化矽公司和新罕布夏州的GT Advanced Technologies。

在功率半導體的領導廠商,包含:意法半導體,英飛凌,安森美半導體和三菱電機等都可能隨時進入該領域搶奪商機。例如:意法半導體(STMicro)在2019年2月以1.375億美元收購瑞典SiC晶圓製造商Norstel。此外,松下,安森美半導體,德州儀器和SanKen Electric等其他大公司也正在開發GaN開關電晶體。預計未來一年,這些公司都會通過收購來加速佈局這一領域。

Roth Capital認為,SiC與GaN除了能攻下電動車和太陽能電池板等經過驗證的應用之外,還可能打開全新的應用領域。現今看起來,只要確立這一技術無礙,未來一段時間,併購和投資的消息將不斷傳出,畢竟,這是一個千載難逢的新商機。(715字)

  

參考資料:
New Semiconductor Technologies Driving Down Cost Of Electric Vehicle Batteries. Forbes,2020/1/8 
Delphi Introduces 800 V SiC Inverter, Secures $2.7 Billion Order. Inside EVs, 2019/9/17.


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