• 寬能隙半導體元件慢火加溫, 電動車、5G帶動電力轉換元件需求 SiC成下世代半導體材料之星
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作者:林麗雪     文章出處:先探雜誌   2018期      出刊區間:2018/12/21~2018/12/27

雲端運算、5G及電動車快速發展,耐高溫、高壓的寬能隙半導體元件逐步在半導體市場占有一席之地,一場電力電子產品的開發革命正全面展開。




二○一九年的科技產業沒有太多的亮點,但因應5G及電動車等行業需要更耐高溫、高壓及高功率的元件,寬能隙(Wide Band-gap,WBG)材料的應用被寄予厚望,然而,過去這類材料受限於晶圓製造單價高昂且為歐美已開發國家戰略管制品,一直無法大量轉換成市場規模,但隨著愈來愈多廠商加速投入,生產技術及成本將逐步降低,可預見的未來,寬能隙元件在半導體市場勢必占有一席之地,國內的相關供應鏈也值得長期深入探索。

寬能隙指的是包括由碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)兩種材料產生的半導體元件,相較於已發展逾五○年的矽(Si)材料半導體元件,碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN),由於能隙寬(能隙的大小關係半導體元件的導電性)、電子飽和速率高等特點,由SiC基底發展出來的半導體元件,除了有耐高溫、高壓等特性外,還具有電阻小、電流大與低耗電等特性。



耐高溫、高壓是主要特性



高電壓就意謂著更低的電流,系統使用的銅金屬總量會減少,直接影響的就是系統成本的降低;再者,高電壓促成產生的電阻損耗較少,可達到更好的效率,也能做到極小的開關損耗,對於需要高切換頻率應用的產品來說,能提高功率密度,進而減少電容、電感的使用,甚至機器元件尺寸與重量都可因此縮減。

此外,因碳化矽(SiC)材料的寬能隙特性,能實現阻斷電壓在六○○V以上到數千V之間的低損耗、且能夠應用在高溫或輻射等極端環境下,由此材料產生的功率元件,可達到傳統矽(Si)功率元件無法實現的低電力轉換損失,並可廣泛應用在LED照明、電動車、智慧電網、工業等需要電源轉換效率的節能產品上。

特別是電動車和未來將積極發展的自動駕駛,寬能隙元件將主導電動車的關鍵應用,包括充電基礎設施、車載充電器、牽引逆變器和車載DC-DC轉換器等,據研究,牽引逆變器是可以從GaN和SiC技術中受益最多的,因為使用GaN和SiC元件後,可以減輕汽車的重量,提高能效,並讓電動車能夠行駛更遠距離,同時可以使用更小的電池和冷卻系統。而電源轉換器方面,則有SiC蕭特基二極體、SiC MOSFET及GaN-on-SiC等功率元件將應運而生。

既然以碳化矽為基材的元件性能優勢如此顯著,何以始終無法放量?這和碳化矽晶圓製造及產能良率仍低、生產成本仍過高有很大的關係。



短期受限晶圓品質不穩定



由於碳化矽材料的硬度極高,僅次於全世界硬度最高的金剛石,因此,碳化矽半導體製程必須在高溫與高壓的條件下才能生產,一般而言,矽晶的生長環境在一五○○度C左右即可完成,碳化矽則需要在二千度以上的高溫下生產,這讓碳化矽從最上游的長晶就面臨更高的生產難度。

業者分析,包括矽晶棒與LED基板用的藍寶石,都使用液相拉晶法,但碳化矽目前已在使用的長晶技術則包含有高溫化學氣象沉積法(HTCVD,也是目前良率最高的生產法)與高溫昇華法(HTCVT)兩種,不管是哪一種,工作溫度都需要二六○○度以上,而不同於矽晶棒與藍寶石在長晶過程中,都可隨時觀察晶體的生長狀況,SiC長晶的困難點除了在石墨坩鍋無法即時觀察晶體生產狀況外,要生長出大尺寸、無缺陷、全區皆為同一晶態,則需要非常精確的熱場控制及材料配合才行,長晶的技術門檻相較於傳統的矽及藍寶石來得高許多。

一般而言,六吋矽晶棒的拉晶需要一天,八吋的矽晶棒則需要二天半,但碳化矽晶圓,光長晶的時間,就需要七∼十天,且長晶生成的高度可能僅有幾吋而已,這和矽晶棒可達一∼二米有極大的落差,碳化矽晶圓從拉晶、長晶就已產出有限,後續的加工製程又因為硬度高而導致生產相對困難,自然整體應用也就無法在短期內快速且大規模的普及。

業者估計,碳化矽技術要獲得廣泛採用,少則三∼五年,多則五∼八年,才能讓價格降低到可接受的水準,因之,雖然寬能隙技術具有很好的前景,但相較於矽半導體,碳化矽元件短中期仍只能是一個利基應用的市場。



元件生產成本仍過高



近年,碳化矽的發展被國際大廠高度重視,主要就是在電動車這類需要高功率元件的應用陸續顯現;另外,寬能隙元件的用途之一是應用在行動電話基地台的高功率傳輸放大器上,由於碳化矽(SiC)基板的導熱性明顯優越,加上氮化鎵(GaN)和SiC兩種材料相當匹配,幾乎是大功率微波應用的理想材料。

也就是說,需求端確實有發展的必要性,但在產線及製程端,還有一段不短的路要走。據國際研調機構Yole Research的研究發現,二○一六年以前,SiC基板的量產尺寸為四吋,但這二年六吋GaN-on-Si的量也已逐漸拉升,但預估八吋的GaN-on-Si則要到二○二○年左右,應用才能更為廣泛,至於GaN-on-SiC的發展,則恐怕要等到SiC基板發展更為成熟之後才有機會同步提升。

但相較之下,碳化矽功率元件的發展進程則要更慢一些,短期內碳化矽具量產的規模仍僅能使用四吋,單片四吋基板價格仍高達二○○○∼三○○○美元,且主要的供應都來自Cree(Cree.US)。據估算,GaN-on-Si元件與純矽元件生產成本已縮小至不到二倍,但SiC元件與矽元件的成本則仍高達五∼七倍。

正因為碳化矽晶圓生產具有一定的技術難度,目前全球能提供穩定產量的業者僅有Cree、Norstel、新日鐵住金等,全球產能十分有限的情況下,不僅上游晶圓的價格無法鬆動,連帶終端晶片的價格也難以讓多數業者接受,因此,雖然市場確實處於短缺的狀況,但碳化矽發展卻未成熟,絕緣閘雙極電晶體(IGBT)就成了在現有矽半導體製程中,能提供高效能電源轉換的重要替代功率元件。

但許多研究都指出,SiC MOSFET比起IGBT,可在更寬的範圍內保持低導通電阻,也有較佳的開關損耗特性,雖然據Yole的統計,目前SiC MOSFET元件的每安培成本比同類IGBT仍高出五倍以上,但業者認為,這主要是由於下游應用目前大多處在研發階段,還未能量產,但從整個半導體市場發展來看,寬能隙的碳化矽及氮化鎵元件仍有高度且必要發展性,現正處於爆發式成長的前期。



上、下游供應鏈逐步到位



特別在5G及電動車的需求催促發展下,全球供應鏈已逐漸發展出晶圓代工模式,提供SiC及GaN的代工業務服務,目前國內已有台積電(2330)及世界先進(5347)提供GaN-on-Si的代工業務,穩懋(3105)則專攻GaN-on-SiC瞄準5G基地台商機,逐漸改變過去僅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大廠供應的狀況。

而在各國都加大力道在推動寬能隙半導體材料的發展下,國內亦然,工研院攜手逾二○國內科技廠成立的寬能隙電力電子研發聯盟已多年,且加入投入的業者已愈來愈多;另中科院在經濟部科專計畫支持下投入長晶技術開發,經過六年的技術開發,去年SiC晶體尺寸也已逐步由二吋擴展至六吋,製程及技術都在加速推進中,國內並有越峰(8121)已開發出碳化矽(SiC)粉材,產業上、下游供應鏈可望逐步到位,未來幾年,國內寬能隙半導體加速推進發展,已指日可待。

根據Yole Research預估,今年SiC元件產值將達到三億美元,僅在一三○億美元的功率元件市場中占了很小的份額,其中,氮化鎵(GaN)的晶片市場更比碳化矽小很多,但即便如此,這個行業仍持續慢火加溫,Yole Research預估,至二○二○年以後,SiC元件市場將可成長至十億美元,二○二三年將可成長至十五億美元,自現在起至二○二三年的年複合成長率將可達到三成以上。

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