節能趨勢下我國發展氮化鎵下世代電力元件之契機

導讀
氮化鎵的產品可從RF、LED到電力元件三個領域,台灣在LED的發展投入相當多資源,並為我國帶來豐碩的成績,而目前的氮化鎵發展是不可或缺的,在全球高喊節能省碳的目標下,需要發展高能源轉換效率的電源供應器,工業馬達控制器、油電混合車、光電及網路基地台設備等都是未來要轉型的產業,未來矽及化合物的代替品將會是氮化鎵,研究將以未來電力電子元件的寬能隙半導體來敘說台灣的發展空間。
文章圖片所有權:http://pixabay.com/zh/users/beear-797783/,Created by beear

1. 前言與研究背景

「能源」是一個從過去持續到現在,並越來越重要之全球課題之一,而台灣是一個封閉且資源匱乏的島國,在能源議題的洪流上從來都沒有逃避的選項,福島核災後反核勢力高漲、老舊的核電廠又面臨退役、核四封存、無法仰賴大量的水力發電,造成我國長期高度依賴進口石油能源,台灣的能源課題似乎已經到了如履薄冰的現況[1]。根據資策會MIC、工研院IEK及中華經濟研究院國際所、台灣經濟研究院所合著之「2025台灣大未來」,其內容提到我國未來會面臨之7大挑戰,其中的一大項即是「能源」挑戰[2]。

無可諱言,地球蘊藏之石化資源只會逐漸枯竭,同時不斷使用石化能源的情況下,所產生之溫室氣體和全球氣候暖化早已成為事實,如何在經濟、環保與能源三方角力下找出最佳解早已是先進國家列入國家高度之刻不容緩之議題,政策面上紛紛針對再生能源啟動大型國家型計畫,朝著降低石化能源的依賴度為目標,發展各種再生能源包含風力、太陽能、生質能等[3, 4];節能議題上則要求各領域廣泛與多元節能,包含建築、運輸與工業等熱門領域[5-7]。因此本文研究動機在於政府推行各種節能方案時,是否能找出一個適用或者通用的解決方案,同時針對各國科技政策與產業界動態發展等各項資訊完整蒐集彙整,探討國際政策發展及業界動態等分析。

電力在輸送、利用的過程中,各種轉換就會造成消耗,而其中電力轉換的半導體核心元件就稱為「電力元件」(Power semiconductor device),在先期研究過程中,發現同屬於電子業大國之美國、日本及韓國,對於「下世代電力電子元件」投注大量研發資源,其中一項便是看好下世代電力元件之高轉換效能之未來願景,也就是「節能」的高附加價值,這些下世代元件,其應用範圍包含:油電混合車(HEV/PHEV)、電動車(EV)、電源供應器(Power supply)、馬達控制器(Motor controller)等領域,同時未來物聯網、雲端運算大量發展的同時,基地台之電源供應器、攜帶型電子產品、穿戴式電子產品都是未來下世代電力元件之潛在市場。本文以組成「下世代電力電子元件」之寬能隙半導體材料之角度出發,探討下世代電力元件在台發展之可能性。

2. 寬能隙半導體材料概述

2.1 化合物半導體與應用

現今電子電力元件多由矽作為主要的材料,在過去半世紀的研究中發現,矽材料已經逐漸達到物理限制瓶頸,替代矽之新材料也逐漸被發現,包含兩種或更多元素所構成之化合物,這種具有高潛力的半導體稱為「化合物半導體」,化合物半導體對整個半導體產業帶來多樣性發展及挑戰,在各種半導體材料中普遍將能隙大於3eV的半導體材料通稱為「寬能隙半導體」(Wide-bandgap semiconductor) [8],此種具有寬能隙之半導體具有出色的物理性質,同時具有高商業價值潛力,且具光電轉換物理性質可在光電轉換上運用,例如高亮度藍光LED主要的材料正是以鎵化合物主的三五族寬能隙化合物半導體。2014年10月,代表物理學界最高榮耀的「諾貝爾物理學獎」得獎名單宣布,獲獎是因發明高亮度藍光LED及寬能隙化合物半導體材料製作方法之三位日本學者,實現了明亮且高效能的白色光源為照明科技帶來前所未有的重大革命[9]。

經過過去漫長的研究,寬能隙化合物材料中目前技術發展較為成熟且具有高度商用價值之材料為三五族之「氮化鎵」與四四族之「碳化矽」(Silicon carbide , SiC),其中氮化鎵擁有高穿擊電壓、3.4eV的能隙,電子遷移率高達440cm2/(Vs),使他成為高功率、高溫電晶體元件的相當優良材料,同時是也是製造下世代電力電子元件之主要材料之一。

2.2 氮化鎵於能源上應用與商機

電力元件的轉換效率是節能上非常重要的關鍵,相較於矽基半導體電力元件,寬能隙電力元件更擁有以下五點優勢[10]:

  • 節能:相較於矽產品,寬能隙電力元件可節省90%以上的能源轉換損耗。
  • 高工作電壓:高於矽10倍之工作電壓。
  • 高工作溫度:寬能隙材料可工作溫度超過300°C是矽半導體元件最高溫度的兩倍。
  • 更多應用的層面:體積更小、更輕、更長系統生命週期可減少能源和資源使用。
  • 更高的運作頻率:工作頻率至少超出矽元件10倍以上,使得系統設計上可以更緊湊、成本更低,並具有嶄新的產品設計和新的應用,特別是在無線通信元件(RF Devices)中的放大器(Amplifiers)。
  • 更高品質的電源:可靠及快速的開關元件(Switch),帶來更可靠的高品質電源。

根據英國劍橋大學與劍橋氮化鎵研究中心研究[11],發展氮化鎵產品會在節能上得到多種非常顯著的成效如圖1,同時減低全英國25%的能源損耗,因此憑藉這優勢,未來將會逐漸地取代原有的矽基市場;根據法國化合物半導體產業研究機構Yole Développement的報告[12]中圖2,氮化鎵在2014年之後市場會逐漸打開,並從低於600V電壓範圍之電源供應器相關產業POL、PFC、UPS開始,2015年逐漸向600V需求之太陽能光電PV逆變器(Inverter)市場擴張,2016年主要顯著市場為650V~1200V區間之綠能車輛EV、HEV及PHEV充電站(Charger)、逆變器及工業馬達控制器,接著會向更高電壓1200V+的風力發電系統、運輸系統擴張。而在競爭者與市場版圖遷移的情況可參考圖3,氮化鎵在2015的發展趨勢中已經逐漸的從高端產品打入以MOSFET主導的600V以下市場,更有極小部分往IGBT市場移動[13]。

圖1:英國劍橋大學氮化鎵研究中心提出之發展氮化鎵產品之英國優勢[11]
圖2:氮化鎵電力元件主要應用市場發展趨勢圖[12]
圖3:2015下世代寬能隙半導體產品定位與電力元件市場版圖遷移趨勢[13]

3. 氮化鎵材料發展現況

雖然化合物半導體,包含寬能隙材料擁有許多的優勢,然而多數化合物並不自然地存在於地球上,或天然資源運含量極少且品質未能達到半導體要求,只能藉由人工合成方式生產,對比地球含量充沛且製造容易的矽,化物半導體在材料製程上一直都是非常困難的關卡,直到快速、低價及高品質的製造方式被開發出來後才能漸漸普及,因此材料科學一直都是半導體領域發展的先驅,各國半導體發展策略也都以材料為最優先投入項目,而目前LED技術高度發展的帶動下,氮化鎵已可用磊晶之方式量產、越過材料與製程的死亡幽谷往後發展並顯露出商業價值。

3.1 國際寬能隙半導體政策概述

美國總統科技顧問委員會 (President's Council of Advisors on Science and Technology, PCAST)於 2011年6月24日向美國總統歐巴馬提交的「確保美國在先進製造的領先地位報告」 (Report Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing )[14]促使美國政府啟動AMP計畫;2012年7月,AMP 指導委員會對總統提出「掌握先進製造業的競爭優勢」[15]建議報告書,並於2013年9月確定建立新的國家製造創新網絡(National Network for Manufacturing Innovation,NNMI),這個計畫包含了將在全國成立45個製造創新研究院,以縮短基礎研究與業界技術開發間之差距,預計十年期間投資10億美元,其中與寬能隙半導體電力元件相關之研究計畫於2014年1月成立「下世代電力電子製造創新研究院」(Next Generation Power Electronics National Manufacturing Innovation Institute),本計畫發展重點確保未來五年美國在寬能隙半導體產業處於世界領先地位,同時所有AMP2.0相關建議及最新詳細執行狀況可參閱白宮發布報告[16]。

日本方面是由NEDO (新能源產業技術綜合開發機構)作為主導,NEDO獲得連續10年的國家研究經費資助,計畫內容為「實現低碳社會:下世代電力電子工程」(低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト),執行年從平成21年(2009)至平成31年(2019),2014年共獲得45.0億日圓的預算,主要投寬能隙半導體元件研發[17]。同時隨著寬能隙元件逐漸商品化,為確保日本在寬能隙半導體市場持續優勢,2014年由內閣府直屬幕僚單位「綜合科學技術創新會議」,直接以內閣高度建議國家重點發展項目共10點「戰略創新創造計劃」[18]並投入500億日圓總預算,超越了傳統的框架或部會領域,並建立一個新的實現科技創新程序,而寬能隙半導體電力電子列為第二項,並於2014獲得22億日圓的預算,由三菱電機大森達夫擔任招集人,由NEDO法人機構主導管理,並由JST (科學技術振興機構)協助,實際執行由民間研發機構、企業研發機構、法人研發機構以產官學三方合作的模式來執行。

中國從2013開始以國家的層級推出「2014中國第三代半導體材料國家發展計畫」並在國家高技術研究發展計畫(863計畫)中「新材料技術領域備選專案徵集指南」中新增加寬能隙半導體研究設備與材料之研發項目,而2015年的863更增列了封裝及測試條目。[19, 20]

韓國則由KISTEP(韓國科學技術企劃評價院)發布之半導體發展政策建議及可行性計畫,並持續看好半導體業發展,市場依舊會繼續擴張,並以無廠半導體 (Fabless)的目標來進行,提出2013年寬能隙發展政策建議,在未來7年平均每年預計投入400萬韓元在氮化鎵與SiC的研發上,其計畫執行方式與美、日相同,皆採用產官學三方合作的方式推動。[21]

英國由英國工程暨物理科學研究委員會(EPSRC)於2013年1月啟動Power 氮化鎵計畫,由7間英國頂尖大學與16間大型企業合作,計畫共5年,國家投入資金約台幣3億。[11]

3.2 全球氮化鎵電力產業概況

目前全球GaN電力元件產品開發主要以二大區域為主,分別是北美洲的美國與亞洲的日本,以下以區域做分類描述。

北美洲

在美國地區積極投入氮化鎵領域之化合物半導體玩家部分,則有RF Micro Devices(RFMD)推出650V SSFET RF開關元件;恩智浦半導體(NXP Semiconductors, NXP)推出RF元件為主;意法半導體(STMicroelectronics, ST)投入氮化鎵二極體的研發及SiC產品;英飛凌(Infineon Technologies)收購IR(International Rectifier)後加入了氮化鎵玩家的行列;當然產品線也從RF、LED到電力元件三個領域全部涵蓋的CREE也是氮化鎵的主要玩家之一;對比過去在矽及化合物半導體的玩家,相較於新成立的寬能隙半導體玩家則又更積極,這些北美新創公司包含Transphorm、MicroGaN、EPC及GaN systems。

亞洲

瑞薩電子(Renesas Electronics),與NEC電子合併之後就有跨入寬能隙產品之決心,目標放在氮化鎵 FET元件;純矽玩家古河電氣工業(Furukawa Electric)和化合物半導體玩家富士電機(Fuji Electric)在2009年時技術結盟共同致力於氮化鎵功率半導體元件的研發,而富士電機同時也與美國新創公司Transphorm已經成為聯盟關係,同時Transphorm也在日本成立Transphorm Japan;日本最大半導體公司東芝半導體(TOSHIBA),目前也是相當積極的玩家之一,於2011年與美國普瑞光電(Bridgelux)開始技術合作,生產GaN-on-Si 白光LED, 2012年東芝隨即併購普瑞光電LED部門,並取得其相關專利,同時於日本本土開始製造GaN-on-Si 白光LED,並擴增石川縣的加賀工廠,成為GaN-on-Si 白光LED的最新玩家之外,推測以東芝原本在矽基礎,投入GaN-on-Si 電力元件幾乎已成定局;松下電器(Panasonic)與夏普(SHARP)過去就是GaN-on-Si 白光LED玩家,近年則開始投入600V 氮化鎵電晶體之開發。同時2015年初受注目的新聞還是來自於日本系統商安川電機,安川電機在2015年新產品輸出功率為4.5kW的家用太陽能變頻器上採用了Transphorm 的氮化鎵電力元件,與該公司配備Si電力元件的4.5kW原產品相比,體積只有約60%,不但世界第一台採用氮化鎵產品的量產商品同時也是同級中世界最小、轉換功率達到驚人98%的產品。而松下也在隨後發布了於2015年2月上市之高級音響放大器“SE-R1”中將採用氮化鎵電晶體。

3.3 台灣氮化鎵電力元件產業概況

氮化鎵在台灣發展上無論學界或是產業界都已投入相當多資源在GaN LED領域,並且LED產業的確在過去為我國來帶來豐碩的成果,而電力元件以GaN-on-Silicon為主流,發展較晚也投入較少的資源。

台灣電子電力元件產業結構來說,可大致分成磊晶、元件設計與製造、封裝與測試及最後末端應用與系統。根據訪談國內電力元件產學研界專家10餘人與寬能隙半導體專家會議成果做出以下概述。

磊晶技術在過去台灣LED產業培養大量的專家與厚實經驗,然而中國國家政策開始扶植與補助LED產業後,使得LED產業已走向紅海市場,無差異化之小廠漸漸無法生存而遭到併購已經是產業趨勢,因此在LED磊晶具有能力之本土廠商開始走向多元發展的路徑,此路徑和日本及韓國大廠雷同,開始將部份產能及研發能量轉向GaN-on-Silicon LED及電力元件的興新市場,同時中研院在2014年中已發表6吋GaN-on-Silicon磊晶圓自製之能力。

材料與磊晶技術成熟後,元件設計與製造在過去幾年成為新興戰場,領先於前頭的美國新創公司在幾年間陸續發表各種型號與規格的氮化鎵電子電力元件,然而過去幾年事實上能夠量產且被認為具有高可靠度之產品尚未明朗,2015年1月從安川電機在太陽能逆變器開始使用氮化鎵元件後,估計2015氮化鎵元件開始進入商業模式檯面化,特別是以再生能源及節能作為推力的市場,國內在元件設計部分主要以學術研究中心及企業研究單位為主,為數不多的台灣廠商也已進入這一個市場與學研單位合作,且相當低調,同時台灣具有強大的矽基半導體代工能力,在GaN-on-Silicon 後端製程與目前矽製程相容度高的情況下,可充分使用8吋以下矽製程設備,同時國內大型半導體代工企業也早已切入這領域。

不同於矽產品,下世代電力電子元件的封裝與可靠度測試一直都是目前未能解決的難題,甚至過去的檢驗儀器、設備和規範都可能不再適用,在此情況下,下世代電力電子元件封裝與測試便成為一個很具有前瞻及挑戰之議題,學界在過去僅能就封裝及封裝材料切入,可靠度測試已經完全走向產業端,台灣目前具有完整封裝與測試氮化鎵電力電子元件業者尚未能被確定,這突顯出本領域的切入點具高門檻且為台灣下世代電子領域之缺口。

4. 分析與建議

節能對於台灣現況是迫切且必要解決之問題,本文目的在針對國際節能趨勢下,值得我國關注之議題,針對氮化鎵發展機會整理如下:

◆ 在節能的全球趨勢下,高能源轉換效率元件是「電源供應器產業」之關鍵,而我國在全球電源供應器市場佔有率為世界第一,為確保我國持續領先,並提高附加值,有其發展必要性與急迫性,並為我國節能技術立下根基。

◆ 工業用馬達控制器、油電混合車電動車、太陽能光電設備及網路基地台設備市場具有極大的市場利基,而矽基半導體在轉換效率上已經達到極限,氮化鎵電力元件已打開市場,推估2015之後為市場快速成長期。

參考文獻
  • 經濟部能源局,2015能源產業技術白皮書,ISBN:789860414240,2014
  • 詹文男、蘇孟宗、陳信宏、林欣吾,2025台灣大未來:從世界趨勢看見台灣機會,ISBN:789869070430,2015
  • Frankfurt School-UNEP Centre, Global Trends in Renewable Energy Investment, 2014.
  • International Energy Agency, Tracking Clean Energy Progress, 2014.
  • European Commission, Energy Efficiency and its contribution to energy security and the 2030 Framework for climate and energy policy, 2014.
  • World Energy Council, Energy Efficiency Technologies: Overview Report, 2013.
  • International Energy Agency, Energy Efficiency Market Report 2014, 2014.
  • U.S. Department of Energy, Wide Bandgap Semiconductors: Pursuing the Promise, 2013.
  • Nobelprize.org, The Nobel Prize in Physics 2014, Nobel Media AB 2014.
  • U.S. Department of Energy, Power Electronics for Distributed Energy Systems and Transmission and Distribution, ORNL/TM-2005/230, 2005.
  • Colin Humphreys, GaN R&D in the UK, Taiwan-UK Symposium on Next Generation GaN Technology, 2014.
  • Yole Développement, Power GaN Market, 2014.
  • Yole Développement, Status of the Power Electronics Industry, 2015.
  • President's Council of Advisors on Science and Technology (USA), Report Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing, 2011.
  • President's Council of Advisors on Science and Technology (USA), Report to the President on Capturing Competitive Advantage in Advanced Manufacturing, 2012.
  • President's Council of Advisors on Science and Technology (USA), Accelerating U.S. Advanced Manufacturing, 2014.
  • New Energy and Industrial Technology Development Organization (Japan), 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト, 2014.
  • Cabinet Office (Japan), 戦略的イノベーション創造プログラム(SIP:エスアイピー), 2014
  • 中國科學技術部,國家科技支撐計畫2014年備選專案徵集要求,2013
  • 中國科學技術部,國家高技術研究發展計畫(863計畫)2015年度專案申報指南,2014
  • 韓國科學技術企劃評價院,고효율 전력 ․ 에너지반도체 기술개발사업,2013
延伸閱讀