以碳化硅 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 為主的「寬能隙」(WBG) 半導體以損耗少、效能高著稱，然而想要將這些強項發揮到極致，需從材料、晶圓、元件、模塊到系統等多個環節共同努力，并非一句宣布「采用」就能輕松達陣。
材料是碳化硅一大關鍵，為掌握質量并力保供料無虞，國際整合元件制造 (IDM) 大廠莫不傾力投入發展。甫獲鴻海科技入股的盛新材料科技即透露，光是材料就占了他們總制造成本的五成！加上長晶過程不易，用的又是高純度、高價材料，為免工藝徒勞及浪費，亟需「非破壞式」的晶體／晶圓檢測技術相助——僅經由表面加工處理、不須損傷晶體就能觀測質量和基板 (Substrate) 缺陷，且可檢測刮痕、電阻率等表面特性以提高元件良率，基板的優劣尤為關鍵。
元件商同樣重申「量測」的茲事體大，且與量測廠商同聲強調「雙脈沖」(Double Pulse) 的絕對必要性。這是由于中、下游廠商更關心的是切換損耗 (Switch Loss)、閘極充放電容的電荷量等動態參數；偏偏大部分功率元件會因感性負載 (inductive load) 大而產生反向恢復電流，導致單一脈沖無法精準辨別之故。雙脈沖測試有兩大關鍵：一是軟件整合，二是為用戶的待測物提供客制化解決方案并擔保治具質量，以免因接觸不良而誤導測試結果。
模塊暨系統廠商亦附和「可靠度」的重要，包括零組件硬件本身的能力、材料、工藝，以及人力組織的軟實力，這需要長時間測試與累積，并經過分析驗證之后才知學理是否正確？此外，還得評估產品或系統整個生命周期 (Life Cycle) 的「RAM」成本——可靠度 (Reliability)、可用度 (Availability)、可維護度 (Maintainability)，及其后所衍生出的風險管理，尤須留意會重復出現的「系統性失效」，這有賴「系統工程」確保每次輸入、處理、輸出的操作流程及結果。
最后，有趣的是，在訪談的過程中，有些廠商樂觀看待臺灣擁有完整的碳化硅供應鏈以及中、美以外的「第三地生產」優勢，但也有業者先進認為中國大陸的電子電路基礎扎實又有政策扶持，極可能異軍突起；復考慮到功率器件尺寸與切換損失的問題，未來對于「高操作頻率」的市場需求或更高，相較之下反而更看好氮化鎵的遠景……。更多關于如何將「寬禁帶」效能發揮到極致以及市場前景的討論，盡在本期【產業特輯】。
SiC、GaN 領跑，「寬能隙」全力沖刺功率半導體市場
以碳化硅 (SiC) 與氮化鎵 (GaN) 為主的寬能隙(WBG) 功率元件，近年熱議不斷，兩者皆以「能源效率」著稱。前者勝在高壓，拜電動車 (EV) 之賜而聲名大噪；后者強在高頻，因為數據中心及消費電子變壓器的采用而躍上舞臺。
曾在碳化硅耕耘多年、現轉攻氮化鎵領域的 GaN Systems 副總經理莊淵棋表示，今后數十年人類會遇到的重大生存問題，能源就是其一；寬禁帶受到數字經濟、電子設備及不同能源系統轉換三大面向驅動，需求持續看漲。
節能＆儲能，推動「寬能隙」半導體前行
其次，隨著電動車被推上時程，從能源生成的角度來看，預估 2025 年再生能源最多只占總能源消耗的四成，仍有六成須仰賴傳統發電；而數據中心是吃電大怪獸，歐盟已規定能源效率從 94% 提升至 96%，舊有電源架構及材料無法企及。最后，一般用電及再生能源轉換過程也有能耗損失，都是推動寬禁帶前進的力量。莊淵棋指出，自從特斯拉 Model3 點燃碳化硅商機，板載充電 (OBC) 和牽引逆變器 (Traction Inverter) 改用碳化硅就成了現在進行式；但汽車產業相當保守，硅基元件改用碳化硅時原則上會遵行等值轉換，即原本 1200V 就用 1200V。
莊淵棋宣示，以往 OBC 操作頻率在 50～60kHz，就材料特性而言，此時硅基、碳化硅和氮化鎵差異不大，只是寬能隙的切換損失 (Switch Loss) 會少一點。拉到 100kHz 后，硅基明顯跟不上，將盡顯寬能隙的切換及傳導損失 (Conduction Loss) 加總優勢；但若再往上到 120～150kHz，碳化硅就有點撐不住，效能呈現停滯。日后上看200kHz、500kHz，氮化鎵反而是最佳主角，依然可維持極小切換損失。再者，駕駛油門踩放之間的切換損失很大，若這個損失占電池達 1/3，氮化鎵效能將優于碳化硅，對于電池容量小的輕量電動車影響甚巨。
氮化鎵潛力大！有機會打入電動車 OBC 及城市行車逆變器
莊淵棋預言：現行 OBC 和逆變器皆是碳化硅為主，但長遠的未來 OBC 會以氮化鎵為主，逆變器則與使用場域有關，重點在于「切換損失」。要縮減尺寸最佳手段就是拉高頻率，所以拉高頻率將是趨勢，但碳化硅對此并不具優勢。究竟改用碳化硅或氮化鎵？端看頻率或效能需求，應用場域與商業行為將是決策關鍵。但他不諱言，汽車要千錘百煉，雖然現今已有系統商針對牽引逆變器并行發展，但改架構并非易事；加上去年開始才有廠商專為氮化鎵提供控制器和驅動器，采用轉向過程有學習曲線問題，這樣的改變并非短期內會發生。
郭浩中指出，電動車的牽引逆變器、板載充電和 DC/DC 轉換器 (Converter) 三大領域，正積極從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 轉向碳化硅，意法 (ST)、安森美 (OnSemi)、羅姆 (Rohm)、科銳 (Wolfspeed)、英飛凌是五大主要供貨商；其中，ST 受惠于特斯拉 (Tesla) 的采用，市占最大。就工藝來說，ST 和 Wolfspeed 是采平面式 (planar) 工藝，亦是現階段主流工藝，且不只上游晶圓，從模塊到系統的關鍵技術亦多掌握在大廠手中。
工藝缺陷多，檢測／量測設備至關重要
蕭逸楷直言，相較于硅基元件，碳化硅模塊封裝在高壓、高溫、高濕度環境下的挑戰極大；有時候元件本身是良品，卻在封裝出狀況，個別狀態良好不代表加總后的狀態也完美。此外，基板 (Substrate) 價貴且工藝特殊，若能善用電子設計自動化 (EDA) 仿真軟件可較快取得成果；另隨著電壓提高，電流也從毫安 (mA) 提升至數十安培 (A) 等級，還須考慮寄生效應，檢測／量測設備亦至關重要。
臺北科技大學電機系教授黃明熙則提到「雙脈沖」(Double Pulse) 之于寬禁帶量測的不凡貢獻。黃明熙他統整「雙脈沖」的傳統量測用途：1.電源轉換之切換損失、傳導損失、反向恢復 Qrr 損失等關鍵參數；2.與電流控制息息相關的電壓應力 (Voltage Stress)；3.審視寄生二極管或二極管的反向特性；4.驗證電源開關的閘極驅動器。不僅如此，雙脈沖更是功率級設計的好幫手，用來測量主要電流路徑的雜散電感 (stray inductance)、功率轉換之雜散電感對關斷電壓突波 (spike) 影響、檢查并聯電源切換之間均流現象、驗證電源開關的 Spice 模型，以及研究變壓器／扼流圈的磁通飽和度。
黃明熙統整雜散電容對電源級設計的影響包括：
功率元件感性負載大，單一脈沖無法精準辨別
碳化硅產品主要有三大類：1.二極管，650V 鎖定 400V 電池系統，1200V 面向 800V 電池系統；2.MOSFET，支援雙向反充；3.模塊，集成被動組件，最高支持 1700V。詹雅惠比較 IGBT (絕緣閘雙極晶體管) 和 SiC MOSFET：就 2kW 的板載充電 (OBC) 的功率因子校正 (PFC) 系統來看，改用碳化硅可提升 2.5～3% 效能；另傳統 IGBT MOSFET 是熱源最易聚集的地方，散熱佳的碳化硅溫度表現優異。她援引 Yole 報告：2021 年全球功率碳化硅器件市值約 10.9 億美元，2027 年將達62.97 億美元，期間年復合成長率 (CAGR) 達 34%，而車用是最大分眾市場。
