在綠能和智慧化的大趨勢下，人類的能源中心從化石能轉向更為清潔的電能。伴隨著數字化轉型的浪潮，全球各個行業電氣化的腳步也在加緊，電子系統得到更廣泛使用。
大大小小的電子系統都少不了功率組件（包括功率管理IC和功率分離組件：如功率二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等器件）的身影，與被動組件一起它們為系統各個部件提供穩定可靠和干凈的能源。有別于摩爾定律下的數字芯片，每18個月就有一次質變的模式，功率組件在材料、結構、制程方面的進步卻是相對緩慢，這固然有市場相對穩定的原因，但主要原因還是功率組件往往需要面對多個性能參數，這些參數的相互影響，在研發中涉及到多個學科和技術，最后還要經過市場驗證，這都拉長了功率組件的成長周期。
成熟可靠的MOSFET和IGBT
MOSFET和IGBT是目前最為熟知的功率組件，二者先后誕生于20世紀70年代和80年代，是人們在使用中逐步成熟起來、使用范圍最廣的功率組件。二者用途可以根據，不同的耐壓和耐流性能進行劃分，簡單說就是MOSFET適合大電流相對低壓應用，而IGBT則是具有很強的耐壓能力，適合高壓和超高壓高功率應用場景。
MOSFET : 金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor）, 誕生于 20 世紀 70 年代，用于將輸入電壓的變化轉化為輸出電流的變化，起到開關或放大等作用。可以承受相當大的電流，如KA級別，廣泛應用于開關電源（PC、移動設備）,鎮流器,高頻感應加熱；高頻逆變焊機；通信電源等等高頻電源領域。從MOSFET誕生開始，設計人員就在不斷在材料、結構和制造制程方面進行優化調整，從1970年帶的平面型到1980年代的溝槽型，以及到1990年代的超結構型，每10年會有一次較大進步。
IGBT：絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由雙極型三極管（BJT）和 MOSFET 組成的復合全控型電壓驅動式半導體功率組件，誕生于20世紀80年代，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，兼有 MOSFET的高 輸入阻抗和雙極型三極管（BJT）的低導通壓降兩方面的優點，IGBT 驅動功率小而飽和壓降低，非常適合應用于直流電壓為 600V 及以上的變流系統，如交流電機、變頻器、開關 電源、照明電路、牽引傳動等。
雖然IGBT兼具了MOSFET和BJT的很多優點，但是相較于MOSFET，IGBT的開關頻率卻受限于結構而遠低于MOSFET，MOSFET可以輕松實現MHZ級別的開關頻率，而傳統IGBT器件具有10KHz的開關頻率就已經是非常頂級的產品，二者相差了1到2個數量級。而高開關頻率的功率器件可以減小電感、電容和變壓器體積，開關頻率提高10倍，電感量和電容量就可以選小10倍的器件，變壓器體積也可以縮減一半以上，大大縮減電源系統成本，同時提升電源轉換效率。
因此，對設計人員來說，沒有萬全的方案來解決選擇傳統IGBT還是傳統MOSFET的問題，而是需要全面考慮使用情況，對一些參數進行取舍，找到合適的功率器件。
超越IGBT和MOSFET的組件----寬隙半導體
既然IGBT和MOSFET各有優劣，那么對功率器件的設計人員來說，在MOSFET和IGBT之外尋找更好的方案就是必然的使命，新的寬帶帶隙(WBG)材料碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)開始進入設計人員的視野，使用這些材料的組件被業界通稱為第三代半導體組件。
圖:Si、SiC和GaN 圖片來源：Infineon.com
SiC和GaN之功率組件所以被稱為第三代半導體器件是因為前面還有一個第二代半導體—GaAs，但是出于制造成本、性能表現、制造制程以及環保因素（As：砷有劇毒），但GaAs材料并未被放棄，在激光器通信，航天以及國防軍事用途中有較好表現。
寬隙功率半導體的發展路徑大致也是沿著Si功率組件的發展路徑，在材料、制造制程、器件結構上不斷改進，向更高功率和開關頻率的應用場景發起挑戰。以商品化的SiC器件為例，四大SiC組件供貨商，Cree、Infineon、Rohm、ST從最早的平面柵結構進入溝槽、深溝槽、雙溝槽結構，進入第四代SiC組件階段，這幾乎復刻了Si MOSFET的發展路徑。其中ROHM在2020年率先發布了收個雙溝槽結構SiC MOSFET產品，其他幾家的產品也已經陸續出現在Roadmap中。
GaN和SiC材料與傳統的硅基功率半導體材料相比有明顯的優勢。首先，氮化鎵半導體目前的目標電壓范圍為 80V 至 650V，在最高開關頻率下提供中等功率。氮化鎵和碳化硅半導體在最大功率密度下具有非常高的效率，同時開關損耗都比硅基半導體低。
在相同規格的典型功率組件比較中：傳統Si MOSFET組件的導通損耗是SiC MOSFET的8.6倍，是GaN FET的86倍！開關頻率方面，SiC MOSFET可以達到Si MOSFET的3~5倍，而Gan FET可以提升10倍之多。臨界電場強度方面，SiC，GaN同樣10倍于Si基功率組件，在高電場情況下，SiC和GaN可以很好的保持電子遷移。
圖:硅與寬能隙功能比較 圖片來源：意法半導體
而GaN與SiC功率電子組件差異在于，與氮化鎵相比，碳化硅功率半導體具有卓越的柵極氧化物可靠性、出色的易用性，而且非常堅固，采用是垂直晶體管概念，而氮化鎵采用的則是橫向晶體管概念。
氮化鎵和碳化硅為應用解決方案領域帶來了不同的優勢。例如，碳化硅在高溫高壓應用中表現優異，如大功率串式逆變器。就高溫能力而言，較低的溫度系數和高阻斷電壓能力最能滿足應用需求。
在終極功率密度方面，氮化鎵更勝一籌。這在結構體積非常有限的應用中尤其如此，例如數據中心的開關電源，因為在特定的空間內，功率水平會增加。這種情況下，效率和高開關頻率的結合將應用推向了其他技術難以企及的新水平。
圖:GaN與SiC應用范圍 圖片來源 :Infineon
從功率組件應用范圍示意圖中，可以非常清晰的看到，SiC和GaN在高功率和開關頻率更高的應用場景超越了傳統的SiC產品。其中在輸電、工業、軌道交通、白色家電、新能源汽車領域，SiC組件具有廣泛的應用前景，而GaN組件則是在計算中心，物聯網、消費電子和通信基站的射頻系統中可以發揮更多優勢。
SiC與傳統IGBT混合？
除SiC MOSFET和GaN FET組件，還有研究人員在想辦法將SiC和傳統IGBT結合起來，從而讓傳統IGBT揚長避短。ROHM就進行了嘗試，在2021年7月推出的內建SiC蕭特基二極管的IGBT（Hybrid IGBT）「RGWxx65C系列」，ROHM宣布新產品成功降低了傳統IGBT產品導通時導通損耗。這一系列產品使用在車電充電器時，與傳統IGBT產品相比，損耗可降低67%，與SJ-MOSFET相比，損耗可降低24%，有助以更高的CP值進一步降低車電和工控裝置應用的功耗。
圖:ROHM Hybrid IGBT RGWxx65C系列 圖片來源：ROHM
也有不同的聲音，意法半導體汽車和離散組件產品部（ADG）暨功率晶體管事業部策略營銷、創新及重點項目經理Filippo Di Giovanni認為：基本上有兩個技術導致IGBT與新材料碳化硅結合沒有引起業界的興趣。
Filippo Di Giovanni認為：“第一個原因是根據定義IGBT沒有體漏二極管，這是一個限制性因素。另一個技術原因與IGBT的結構是雙極晶體管有關。雙極開關行為取決于電子空穴的復合過程，這會降低開關速度，碳化硅被采用的主要原因是開關頻率較高。而IGBT潛力有限。因此，我們看到的主要是學術界對這個領域感興趣，而產業界興趣索然。“
功率半導體需求持續擴大
在全球各國承諾降低碳排放，提升光伏、風電等清潔能源比例，最終實現碳中和這一目標的大趨勢下。電力系統、交通運輸、5G通信基站、物聯網、數據中心、家電、照明、消費電子產品中等大量應用場景中，功率器件的推陳出新正在驅動能源轉換向更節約和高效的方向前進，展現更多商業價值。
“僅就工業領域來說，如果能將電力利用效率提升1%，就能節省95.6億千瓦時（TWh）的能源。這意味著我們節省了15個核電站的發電量、減排3200萬噸二氧化碳，或者是數千桶的石油。”意法半導體汽車和離散組件產品部（ADG） 執行副總裁暨功率晶體管事業部總經理Edoardo MERLI說。
統計數據顯示，2020年，全球功率半導體的市場規模在430億美元上下，其中汽車占比35%、工業占比27%，消費電子約占13%。2021年，中國功率半導體市場將達到218.8億美金。預計到2024年中國功率半導體市場將達到248.6億美元。新能源汽車、綠色能源以及工業應用正在推動包括中國在內的全球各地功率半導體市場快速成長。預計2024年年全球功率半導體市場將達到623億美元規模。
OMIDA的數據顯示，全球新能源車用市場的IGBT市場的年復合增長率接近30%，預計到2024年將達62億美元的規模，其中中國26億美元，是IGBT市場增長的最大動力。IGBT及模塊主要應用在新能源車的逆變器中，占電控系統50%的成本，約占整車成本的13%。Infineon、三菱、富士電機、安森美、東芝、ST等是其中主要供貨商。
同時，MOSFET在汽車應用中的年符合增長率也超過5%以上。
第三代寬隙半導體功率組件CAGR達到48%
隨著制程改進，產能擴充，良率提升第三代寬隙半導體功率組件開始逐漸為市場接受。根據Trendforce的數據，SiC、GaN功率組件的市場規模將從2021年的10億美元，成長到2024年47億美元左右，其中SiC器件年復合增長率接近38%，真正進入了進入高速成長階段。
2018年，Tesla率先在量產車中使用了SiC逆變器，2020年BYD也首次將SiC器件使用在“漢”系列車型中，Infineon宣布已有超過20家的整車廠和Tier 1客戶正在驗證其SiC產品。在工業和軌道交通中，SiC MOSFET更輕、更省電、發熱更低的特性得到認可，日本新干線N700S已經率先在牽引變流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整車的重量，實現更高的運載效率和降低運營成本。
由于GaN可提升行動裝置等消費性設備等的充電頭以及電信設備的電源供應器的功率密度，同時提升能源轉換效率并降低二氧化碳排放，亦將成為驅動GaN 市場起飛的主要應用。根據Yole的市場調查報告，至2026年，GaN的應用市場產值將達10億美元。
5G市場、LiDAR以及快速充電產品的普及為GaN打開了市場大門。
圖:華為超級快充 GaN多口充電器 圖片來源:huawei.com
在5G基站的Massive MIMO應用中，基站收發信機上使用大數量（如32/64/128個）的數組天線來實現更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發單元數組配套，因此射頻組件的數量將大為增加，使得組件的尺寸大小很關鍵。利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。
圖:通信基站廣泛使用了GaN射頻前端 圖片來源:Infineon
除了基站射頻收發單元陳列中所需的射頻組件數量大為增加，基站密度和基站數量也會大為增加，因此相比3G、4G時代，5G時代的射頻組件數量可能要多上百倍。在5G毫米波應用上，GaN的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。因此5G基站的普及為GaN功率組件打開了新的市場空間。大量新建的基站設備開始使用集成了GaN組件的射頻前端模塊。
英飛凌電源與感測系統事業部大中華區資深協理陳清源
“英飛凌的CoolGaN 600 V e-mode HEMT，已助力臺達電DPR 3000E EnergE通訊電源供應系統的整流器實現領先業界的98％能源效率和出色的功率密度，為全球頂尖電信業者新一代5G電信網絡提供強力后援。此外，數字元元元化的腳步加速，使得服務器的數量激增，連帶對于電源需求也不斷上揚。英飛凌 CoolSiC MOSFET 650V 也打入光寶科技的服務器電源供應器，打造符合北美80 PLUS計劃最高效率鈦金認證要求的產品 (80 PLUS鈦金認證: 在50%負載下，115V輸入電壓需達到94%效率，另外在230V電壓下則需達到96%效率。)” 英飛凌電源與感測系統事業部大中華區資深協理 陳清源表示
產能仍然面臨考驗
與其他半導體芯片一樣，功率半導體的產能短缺問題也很突出。綜合上下游的情況來看，功率器件產能短缺的情況將持續到2023年底。
“碳化硅的確是一種新材料，相較硅材料，確實需要比較新的制程，需要更高的溫度，以及其他加工條件。在產出率和制程方面，碳化硅仍然落后于硅。因此，為了提升質量和產量并降低成本，有很多技術都在開發中。未來，成本和質量可能會大幅改善。我們確實認為，如果企業現在能夠負擔得起，有廠模式確實是一筆巨大的資產，一個很大的優勢，因為這種模式能讓企業控制主要生產參數，即成本、質量和非常重要的產量。”意法半導體Edoardo MERLI說。
新的挑戰者-----氧化鎵
在寬隙半導體的名單中，并非只有SiC和GaN兩種材料，比它們具有更寬禁帶的Ga2O3早已進入實驗室，為研究人員制造更高性能的功率半導體組件進行準備。
雖然氧化鎵的導熱性能較差，但其帶隙（約4.8 eV）超過SiC（約3.4eV），GaN（約3.3eV）和Si（1.1eV）的帶隙，這意味著這種材料在作為功率組件時，在散熱、耐溫性能上將有突出表現。
2012年日本信息通信研究機構（NICT）等研究小組使用Ga2O3試制了“MESFET”（metal-semiconductorfield effect transistor，金屬半導體場效應晶體管），試制品顯示出了耐壓高、漏電流小的特性。布法羅大學（UB）工程與應用科學學院電氣工程副教授Uttam Singisetti博士和他的學生制造了一個厚度為5微米、由氧化鎵制成的MOSFET。按照這位教授的說法，氧化鎵材料可以在改善電動汽車、太陽能和其他形式的可再生能源方面發揮關鍵作用，能開辟現有半導體無法實現的新可能性。
目前確認的Ga2O3的結晶形態確認有α、β、γ、δ、ε五種，其中，β結構最穩定，也是目前研究階段重點關注的領域。距離最終的商品化功率器件，氧化鎵仍然有很多問題需要克服，但是快速成長的第三代寬隙半導體市場可能為其注入更多動力，我們也期待功率器件市場能夠迎來更強大的新生力量，為綠色地球盡一分力量。
