以碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 为主的「宽能隙」(WBG) 半导体以损耗少、效能高着称，然而想要将这些强项发挥到极致，需从材料、晶圆、元件、模块到系统等多个环节共同努力，并非一句宣布「采用」就能轻松达阵。
材料是碳化硅一大关键，为掌握质量并力保供料无虞，国际整合元件制造 (IDM) 大厂莫不倾力投入发展。甫获鸿海科技入股的盛新材料科技即透露，光是材料就占了他们总制造成本的五成！加上长晶过程不易，用的又是高纯度、高价材料，为免工艺徒劳及浪费，亟需「非破坏式」的晶体／晶圆检测技术相助——仅经由表面加工处理、不须损伤晶体就能观测质量和基板 (Substrate) 缺陷，且可检测刮痕、电阻率等表面特性以提高元件良率，基板的优劣尤为关键。
元件商同样重申「量测」的兹事体大，且与量测厂商同声强调「双脉冲」(Double Pulse) 的绝对必要性。这是由于中、下游厂商更关心的是切换损耗 (Switch Loss)、闸极充放电容的电荷量等动态参数；偏偏大部分功率元件会因感性负载 (inductive load) 大而产生反向恢复电流，导致单一脉冲无法精准辨别之故。双脉冲测试有两大关键：一是软件整合，二是为用户的待测物提供客制化解决方案并担保治具质量，以免因接触不良而误导测试结果。
模块暨系统厂商亦附和「可靠度」的重要，包括零组件硬件本身的能力、材料、工艺，以及人力组织的软实力，这需要长时间测试与累积，并经过分析验证之后才知学理是否正确？此外，还得评估产品或系统整个生命周期 (Life Cycle) 的「RAM」成本——可靠度 (Reliability)、可用度 (Availability)、可维护度 (Maintainability)，及其后所衍生出的风险管理，尤须留意会重复出现的「系统性失效」，这有赖「系统工程」确保每次输入、处理、输出的操作流程及结果。
最后，有趣的是，在访谈的过程中，有些厂商乐观看待台湾拥有完整的碳化硅供应链以及中、美以外的「第三地生产」优势，但也有业者先进认为中国大陆的电子电路基础扎实又有政策扶持，极可能异军突起；复考虑到功率器件尺寸与切换损失的问题，未来对于「高操作频率」的市场需求或更高，相较之下反而更看好氮化镓的远景……。更多关于如何将「宽禁带」效能发挥到极致以及市场前景的讨论，尽在本期【产业特辑】。
SiC、GaN 领跑，「宽能隙」全力冲刺功率半导体市场
以碳化硅 (SiC) 与氮化镓 (GaN) 为主的宽能隙(WBG) 功率元件，近年热议不断，两者皆以「能源效率」着称。前者胜在高压，拜电动车 (EV) 之赐而声名大噪；后者强在高频，因为数据中心及消费电子变压器的采用而跃上舞台。
曾在碳化硅耕耘多年、现转攻氮化镓领域的 GaN Systems 副总经理庄渊棋表示，今后数十年人类会遇到的重大生存问题，能源就是其一；宽禁带受到数字经济、电子设备及不同能源系统转换三大面向驱动，需求持续看涨。
节能＆储能，推动「宽能隙」半导体前行
其次，随着电动车被推上时程，从能源生成的角度来看，预估 2025 年再生能源最多只占总能源消耗的四成，仍有六成须仰赖传统发电；而数据中心是吃电大怪兽，欧盟已规定能源效率从 94% 提升至 96%，旧有电源架构及材料无法企及。最后，一般用电及再生能源转换过程也有能耗损失，都是推动宽禁带前进的力量。庄渊棋指出，自从特斯拉 Model3 点燃碳化硅商机，板载充电 (OBC) 和牵引逆变器 (Traction Inverter) 改用碳化硅就成了现在进行式；但汽车产业相当保守，硅基元件改用碳化硅时原则上会遵行等值转换，即原本 1200V 就用 1200V。
庄渊棋宣示，以往 OBC 操作频率在 50～60kHz，就材料特性而言，此时硅基、碳化硅和氮化镓差异不大，只是宽能隙的切换损失 (Switch Loss) 会少一点。拉到 100kHz 后，硅基明显跟不上，将尽显宽能隙的切换及传导损失 (Conduction Loss) 加总优势；但若再往上到 120～150kHz，碳化硅就有点撑不住，效能呈现停滞。日后上看200kHz、500kHz，氮化镓反而是最佳主角，依然可维持极小切换损失。再者，驾驶油门踩放之间的切换损失很大，若这个损失占电池达 1/3，氮化镓效能将优于碳化硅，对于电池容量小的轻量电动车影响甚巨。
氮化镓潜力大！有机会打入电动车 OBC 及城市行车逆变器
庄渊棋预言：现行 OBC 和逆变器皆是碳化硅为主，但长远的未来 OBC 会以氮化镓为主，逆变器则与使用场域有关，重点在于「切换损失」。要缩减尺寸最佳手段就是拉高频率，所以拉高频率将是趋势，但碳化硅对此并不具优势。究竟改用碳化硅或氮化镓？端看频率或效能需求，应用场域与商业行为将是决策关键。但他不讳言，汽车要千锤百炼，虽然现今已有系统商针对牵引逆变器并行发展，但改架构并非易事；加上去年开始才有厂商专为氮化镓提供控制器和驱动器，采用转向过程有学习曲线问题，这样的改变并非短期内会发生。
郭浩中指出，电动车的牵引逆变器、板载充电和 DC/DC 转换器 (Converter) 三大领域，正积极从绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 转向碳化硅，意法 (ST)、安森美 (OnSemi)、罗姆 (Rohm)、科锐 (Wolfspeed)、英飞凌是五大主要供货商；其中，ST 受惠于特斯拉 (Tesla) 的采用，市占最大。就工艺来说，ST 和 Wolfspeed 是采平面式 (planar) 工艺，亦是现阶段主流工艺，且不只上游晶圆，从模块到系统的关键技术亦多掌握在大厂手中。
工艺缺陷多，检测／量测设备至关重要
萧逸楷直言，相较于硅基元件，碳化硅模块封装在高压、高温、高湿度环境下的挑战极大；有时候元件本身是良品，却在封装出状况，个别状态良好不代表加总后的状态也完美。此外，基板 (Substrate) 价贵且工艺特殊，若能善用电子设计自动化 (EDA) 仿真软件可较快取得成果；另随着电压提高，电流也从毫安 (mA) 提升至数十安培 (A) 等级，还须考虑寄生效应，检测／量测设备亦至关重要。
台北科技大学电机系教授黄明熙则提到「双脉冲」(Double Pulse) 之于宽禁带量测的不凡贡献。黄明熙他统整「双脉冲」的传统量测用途：1.电源转换之切换损失、传导损失、反向恢复 Qrr 损失等关键参数；2.与电流控制息息相关的电压应力 (Voltage Stress)；3.审视寄生二极管或二极管的反向特性；4.验证电源开关的闸极驱动器。不仅如此，双脉冲更是功率级设计的好帮手，用来测量主要电流路径的杂散电感 (stray inductance)、功率转换之杂散电感对关断电压突波 (spike) 影响、检查并联电源切换之间均流现象、验证电源开关的 Spice 模型，以及研究变压器／扼流圈的磁通饱和度。
黄明熙统整杂散电容对电源级设计的影响包括：
功率元件感性负载大，单一脉冲无法精准辨别
碳化硅产品主要有三大类：1.二极管，650V 锁定 400V 电池系统，1200V 面向 800V 电池系统；2.MOSFET，支援双向反充；3.模块，集成被动组件，最高支持 1700V。詹雅惠比较 IGBT (绝缘闸双极晶体管) 和 SiC MOSFET：就 2kW 的板载充电 (OBC) 的功率因子校正 (PFC) 系统来看，改用碳化硅可提升 2.5～3% 效能；另传统 IGBT MOSFET 是热源最易聚集的地方，散热佳的碳化硅温度表现优异。她援引 Yole 报告：2021 年全球功率碳化硅器件市值约 10.9 亿美元，2027 年将达62.97 亿美元，期间年复合成长率 (CAGR) 达 34%，而车用是最大分众市场。
