根据 The Information Network 统计，2019 年全球功率半导体市值约 410 亿美元，占全球半导体市场规模 10%。传统功率分立器件的演进路径为：二极管、晶体管、金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET，简称 MOS)、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。以 MOS 作为逆变器 (inverter) 开关，固然可将频率设计得很高以提高转换效率、节省成本并缩减设备体积；但若需较大的工作电流，须加以并联使用以提高电源的输出电流、导致体积和成本增加，且恐损及电路的稳定性和可靠度。现阶段，碳化硅 (SiC) 与常规 IGBT 硅组件的制造工艺技术仍有一段差距。
图1：SiC MOS 车载充电器与牵引逆变器成长备受期待
资料来源：罗姆半导体 (ROHM) 提供
IGBT 短期不退场！另 QJI 新型硅架构钻空出击
IGBT 是由双极性晶体管 (BJT) 和 MOS 所组成的复合式全控型电压驱动功率组件，兼具电力晶体管 (GTR) 低导通电压和 MOS 高输入阻抗优点——驱动功率小且饱和压降低。考虑到良率、成本、稳定性和可靠度，特别适合直流电压 600V 以上之电力变频、交流应用的 IGBT，在未来 3～5 年戏份仍吃重，硅基超级结 (Super junction) MOS 也不会消失。英国一家新创公司 Search for The Next (SFN) 就直言：SiC 需要更长的处理时间、制造碳足迹大，且无法像硅一样进行扩展；因此，他们力主使用名为＂BIZEN＂的新型硅架构发展＂量子接面晶体管＂(QJT)。
QJT 是将量子力学应用于传统双极晶圆技术，号称可提供与 SiC 或 GaN 相同的电压电平、开关速度和功率处理性能，且相较于标准硅基 MOSFET，生产设备与制造复杂性皆不会增加，可在既有较大尺寸的硅生产线使用标准硅衬底制造设备，自诩为＂破坏性晶圆加工技术＂。QJT 是 BIZEN 系列的首款电源器件，可快速将 PJT (处理器结型晶体管) 集成到 BIZEN 器件，将生产周期缩减至八天。首批基于 BIZEN 的 QJT 器件使用八层双极制造工艺技术，包括三个额定电压——1200V/75A、900V/75A、650V/32A，采用标准 TO247/TO263 功率MOSFET封装。
Microchip：可编程栅极驱动器＋SiC 功率模块套件，缩短开发时程
尽管目前 SiC 芯片成本仍较 IGBT 贵上 4～5 倍，但微芯科技 (Microchip) 着眼于碳化硅功率器件将受惠于全球交通电气化转型的不断前行——从火车、有轨电车和无轨电车，到公共汽车、小汽车和电动汽车充电桩，宣布推出 AgileSwitch 数字可程序设计栅极驱动器和 SP6LI SiC 功率模块套件——700V、1200V 和 1700V 肖特基二极管 (SBD)，开发者从此无需再单独采购功率模块和栅极驱动器 (包括用于成品生产的栅极驱动器)，无需在检验功率模块后、又花费时间开发自己的栅极驱动器，可大幅缩短数个月的开发周期。该套件现已量产并提供限量样品。
图2：Microchip AgileSwitchAdapterBoard-SP6LI-PowerModule
资料来源：Microchip提供
Microchip 的 dsPIC 数字信号控制器还具有高效能、低功耗和外围设备配置灵活特点。结合 SiC 功率模块和软件可配置栅极驱动器、采用 Augmented Switching 技术，可优化栅极开启与关断、短路响应和模块效率，同时降低电压过冲 (Overshoot)、开关损耗、振铃和电磁干扰，确保芯片、电源封装和栅极驱动器的匹配，避免意外开发延迟；这种称作＂configure-at-a-click＂的方法乃基于用鼠标操控的 Windows 电脑接口，可加快前期评估到对最终优化时程。ASDAK-MSCSM70AM025CT6LIAG-01 AgileSwitch＋1200V、495A 单相接脚 SP6LI SiC 功率模块套件订价为 999.95 美元起。
ST：＂MasterGaN＂整合硅基驱动芯片和 GaN 功率晶体管
犹记多年前，SiC 肖特基二极管曾发生电流泄漏随时间渐增，致使设备发生灾难性故障；现阶段，工控或汽车对于 GaN 的接受度，似乎正在踩着类似步伐前进，技术差距、稳定性和可靠度是瓶颈，光是长晶的时间和数量就天差地远，更遑论晶圆尺寸与良率。所幸，半导体大厂今年有所突破：意法半导体 (ST) 推出全球首款嵌入式硅基半桥驱动芯片和一对 GaN 晶体管的＂MasterGaN＂产品平台，另已于 2018 年涉足氮化镓 RF 功率晶体管的恩智浦半导体 (NXP)，特地为 5G 射频功率放大器 (PA) 于美国钱德勒启用全新 6 英寸 (150mm) 氮化镓晶圆厂。
图3：ST 推出全球首个单封装整合硅基驱动芯片和 GaN 功率晶体管的解决方案
资料来源：ST提供
目前 GaN 市场，功率晶体管和驱动 IC 通常是离散组件，使设计人员必须学习两者间的协同作业以达到最佳性能。整合高压智能功率 BCD 制造工艺与 GaN 技术的 MasterGaN 解决方案瞄准 400W 以下的轻量节能消费性电子、工业充电器以及 USB-PD 高功率电源转接器市场，为高压应用而设计、高低压焊盘间的爬电距离＞2mm；不仅可缩短产品上市时间、获得预期性能，同时使封装变得更小、更简单、电路组件更少，且系统更可靠。相较于普通硅基充电器和转接器，尺寸缩减 80%、重量降低 70%，且充电速度提升三倍。
该产品系列有多种不同的 GaN 晶体管尺寸 (RDS(ON))，并以脚位兼容的半桥产品形式供货，方便工程师升级现有系统，并尽可能不更动硬件。在高阶的高效能拓朴结构中，例如，带主动钳位的反激或正激式变换器、谐振无桥图腾柱 PFC (功率因子校正器)，以及在 AC/DC 和 DC/DC 转换器、DC/AC 逆变器使用的其它软开关和硬开关拓朴。MasterGaN1 是该平台的首款产品，整合两个半桥配置的 GaN 功率晶体管和 STDRIVE 600V 半桥栅极驱动芯片，现已量产，采 9mm x 9mm GQFN 薄型封装、厚度仅 1mm，另提供产品评估板。
NXP：设立全新 6 英寸晶圆厂作为创新中心，深化氮化镓技术
恩智浦表示，5G 每个天线所需的功率密度呈指数级增长，却仍需保持相同的机箱尺寸并降低功耗，氮化镓功率晶体管已成为满足这些严格要求的新黄金标准，能大幅提高功率密度和效率。他们已针对氮化镓技术进行深度优化，改善半导体中的电子陷阱 (electron trapping) 问题，藉由一流的线性度提供高效率和增益。新工厂已通过认证，首批产品将持续上市，预计今年底将达到产能满载；该厂亦将作为创新中心，促进晶圆厂与恩智浦现场研发团队之间的协作，以便加速开发、验证并缩短产业创新周期。
图4：恩智浦通过全新 6 英寸晶圆厂及其在功率密度、增益和线性化效率方面的二十年氮化镓开发专业，引领 5G 蜂巢基础建设扩展
资料来源：恩智浦提供
由于 GaN 晶体管的功率密度比 4G 基站所使用的 LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体) 晶体管高出许多，所以通常是满足 5G 基站对 RF 苛刻要求的首选；其中，碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 可实现比硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 更高的功率密度，更适合用于高频 MMIC、大基站的射频组件。惟顾及原料成本和制造工艺复杂度，恩智浦倾向 GaN-on-Si 制造工艺以保价格优势。事实上，从消费电子到运输、能源生产和分配，包括风能和太阳能发电等可再生能源的功率组件通常在 4～8 英寸的 GaN/SiC 化合物半导体晶圆制造。
宽能隙制造工艺难度高，新型涂层技术＆参数测试机台来应战
不过，由于这些功率器件易提升＂接口陷阱＂密度，导致寄生电流、低电子迁移率和栅极泄漏电流并弱化阈值电压的稳定性。芬兰派科森 (Picosun) 公司利用原子层沉积 (ALD) 薄膜涂层解决上述困境：将预清洗方法与高介电常数和大能隙绝缘子结合使用可降低接口陷阱密度。氧化铝 (Al2O3)、氮化铝 (AlN)、氧化锆 (ZrO2) 等高 k 介电层是降低功率器件栅极泄漏电流，并提高电子迁移率和阈值电压稳定性的关键。ALD 可产出形状最优、质地均匀且无缺陷的薄膜，并具有精确、数字可重复的厚度控制和清晰接口。
Picosun 还提到，若配合适当的 ALD 沉积设备，甚至可进行多层处理——即在单一制造工艺产出各种功能的材料层或薄膜／奈米材料堆栈。顺带一提，为满足宽能隙设备测试需求，量测大厂泰克科技 (Tektronix) 推出带有 KTE 7 软件的新型吉时利 S530 系列参数测试系统，可为晶圆厂最大程度减少投资并最大化每小时的晶圆产出。S530 可承受 200V 电压测试，而 S530-HV 机型更能在任何引脚上测试高达 1100V 的电压，较竞品提升 50% 以上的吞吐量；单个系统就能测试多种产品组合，系统级的 ISO-17025 针脚校准更可支持 IATF-16949 汽车标准。
图5：泰克—吉时利 S530 系列参数测试系统提供高速、完全灵活的配置，以随时因应市场需求变化
宽能隙半导体也牵动变压器产业的生态。随着越来越多的电动汽车、云台数据中心、5G 基站和太阳能／风电逆变器采用碳化硅和氮化镓等高密度电路，为平面变压器 (Planar Transformer) 带来需求转折点；以色列佩顿公司 (Payton) 今年上半年的营收和营业利润，就因此而逆势增长。看似前程繁花似锦的 SiC 和 GaN，还有哪些机会与挑战？今后市况的可能形态？半导体先进大厂的供需预期、产品特色及应对策略又是如何？后续文章将有一系列精彩见解。
