功率元件工業是半導體歷史的關鍵部分，電力電子市場正在穩步發展，且通過整個半導體行業不斷推動其創新。電能的產生、分配和使用皆需要電能轉換的電力電子設備，發展電力電子元件、系統和機具的原動力不外乎希望穩定電力、有效分配電力和提高效率。
本文將從以下大綱，剖析下世代功率元件的市場趨勢，以利於掌握技術發展方向，因應快速變動的產品需求。
‧功率元件之產業關聯性
‧功率元件應用分類
‧關鍵功率元件之市場趨勢
‧新材料開發將帶動元件特性升級
【內文精選】
功率元件之產業關聯性
功率半導體元件(Power Semiconductor Device)又稱電力電子元件(Power Electronic Device)，用於電力設備的電能變換和電路控制，是進行電能（功率）處理的核心器件，弱電控制與強電運行間的橋樑，其功能是處理交流和直流之電的轉換以及電力的控制。
功率元件幾乎用於所有的電子製造業，目前它們的應用範圍已經從傳統的工業控制和4C產業，擴展到新能源、軌道交通、智慧電網等新領域；不論民生、交通、工業，舉凡電力應用，均與之息息相關（圖一）。
圖一、電子電力之產業關聯
關鍵功率元件之市場趨勢
功率元件種類繁多，Yole Développement針對經常性應用的功率元件市場預測（圖四），其中金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor; MOSFET)和模組占最大需求。以2017年為例，MOSFET市占約38%，模組約占26%，其中又以絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor; IGBT)和MOSFET成長較快，年均複合成長率分別為：IGBT>8.6%、MOSFET>3.4%。
最早功率半導體元件是矽閘流體(Thyristor)，至今已有50年，隨著Si Power MOSFET與Si IGBT的發展，功率半導體元件廣泛地使用在各式各樣的電子產品、家電及電力系統。技術上，MOSFET和IGBT將持續增加需求量，主要是應用於中高電壓市場。過去十年裡，新的功能需求陸續出現，例如Super Junction MOSFET，將MOSFET系列的性能提升為更高電壓（高達900 V）、性能更好。功率封裝方面也不斷精進，特別是EV/HEV陸續取代傳統燃油汽車，將帶動該產業逐步成長。
新材料開發將帶動元件特性升級
對於材料使用率，雖然目前矽基功率元件市占率仍大，但是為了因應更高階的基礎性能以及更嚴苛的使用條件，矽材的多項功能表現漸漸難以提升，包含輸入阻抗、切換速度等。功率元件已逐漸擴大利用碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鎵(Ga2O3)和金剛石等新型寬能隙(Wide Band Gap)之材料開發的功率元件。由於耐高壓、高溫及高操作等特性，替整體產業注入一股新的研發動能。
基本上SiC和GaN實現了電能轉換領域的革命性發展，所整合的電子設備可以顯著降低損耗、提高頻率和高效電力系統。在大多數使用寬能隙技術的電子電力應用中，損失可以減少至少50%。
IHS報告指出，在多元應用需求面擴張之下，預估全球SiC與GaN功率半導體產值，將由2015年的2.1億美元，快速成長至2020年的10多億美元，並將於2025年達到37億美元，推估2020~2025年間具有爆發性之倍數年均複合成長率（如圖六）。
圖六、SiC和GaN功率元件和功率模組成長趨勢
SiC比Si器件具有更低導通電阻及更高切換速度，有效實現電力電子系統的高效率、小型化和輕量化。回顧過去十幾年當中，在SiC有著墨的供應商僅有Infineon和Cree，2017年7月統計，SiC二極體廠商已增加到23家，特別是SiC MOSFET供應商的數量翻了一番，2017年碳化矽功率半導體市場就有2.5億美元。市場正在穩步擴大，通訊設備和能源領域將繼續推動市場和未來的發展，電動鐵路車輛以及汽車和電氣設備領域也一併增加。自2014年，市場對於SiC業務方面逐年調整...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：鄭華琦／工研院產科國際所
★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。