電動車電池新半導體材料GaN和SiC誰將勝出 - 工程師

電動車電池新半導體材料GaN和SiC誰將勝出？

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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）可能改變電池的材料。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，SiC在1200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600至900伏特電壓下，進入電動車市場。至於GaN在200至900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。

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