• SiC與GaN競逐關鍵材料寶座, 電動車用元件進階 加速寬能隙半導體材料技術普及
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作者:林麗雪     文章出處:先探雜誌   2058期      出刊區間:2019/09/27~2019/10/03

電動車、快速充電以及5G需求推動,半導體功率元件材料也加速推進,已跨足SiC及GaN發展廠商,營運春天指日可待。
甫落幕的「國際半導體展」,廠區展出的BMW i3s純電動車、i8 Coupe等新車款吸引業界目光,內裝元件應用凸顯三五族化合物半導體在未來的科技應用中舉足輕重;保時捷(Porsche)近日新發表的首款純電動跑車Taycan Turbo,其八○○伏特逆變器則是採用Cree旗下Wolfspeed生產的SiC MOSFET半導體,以改善能耗及快速充電,氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)等新世代半導體材料技術漸普及,肯定是未來電動車量產趨勢下,不容忽視的趨勢方向,國內已跨足發展的廠商,營運翻轉也將指日可待。



寬能隙材料逐步進入量產



汽車電動化、快速充電乃至於5G及智慧電網連網等趨勢需求下,終端設備對於半導體元件性能、電力效率及小型化的要求愈來愈高,但摩爾定律的限制下,傳統第一代半導體矽基材料已逼近物理發展極限,以砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)為代表的第二代半導體材料便開始走向「化合物」,但因資源稀少和環境污染問題,加上電子元件性能不斷提升,對溫度、輻射及功率的要求隨之拉高,第二代化合物半導體材料始終無法大鳴大放。

於是,以碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)為中心的第三代「寬能隙」(Wide Bandgap; WBG)材料,隨著電動車及5G等新應用發展而受到矚目,如今,SiC功率半導體元件商品已逐漸成功導入電動車的應用,拉動GaN陣營也急起直追,未來藉由氮化鎵和碳化矽取代矽基半導體,減少車用元件切換時的能耗,不僅已成為可能,且在未來的幾年,將因為量產技術的推進而快速成長。

據統計,去年全球SiC功率半導體市場規模仍未達四億美元,研調機構預估,二○三○年SiC功率半導體全球市場規模將可望達到四五億美元以上,此外,根據Yole Research的統計,在○∼九○○V的低壓市場,GaN則有更大的潛力,這一塊占據整個功率市場近七成的比重,按照整體功率市場約有一五四億美元來看,GaN潛在市場就超過一百億美元。

SiC與GaN材料各有千秋,以碳化矽來說,與傳統半導體矽相比,在相同耐壓條件下,以矽基材料做成的MOSFET元件必須做得比較厚,且耐壓越高厚度就會越厚,導致材料成本更高,功率損耗也多,但碳化矽MOSFET不僅可以做得更薄,也使得能量損耗更小,因為碳化矽元件相較現行的矽功率元件或IGBT有更好的效能表現,可耐一二○○V以上的高電壓、大電流等功用,也無怪乎全球功率半導體廠包括ROHM、英飛凌、意法、安森美等都加緊腳步布局,除了電動車大廠特斯拉已率先大量導入車用SiC功率元件外,傳統車廠的高階電動車款也都已積極導入。

SiC最初的應用,主要集中在太陽能儲能中的逆變器、資料中心伺服器的UPS電源及智慧電網充電站等,但隨著全球電動車的快速推出,車用SiC元件也已快速推出,日廠ROHM已經推出一系列SiC二極體、蕭特基、MOSFET等功率產品,一般預估,最快二○二一年之後,SiC元件有望全面走向市場。



漢磊、嘉晶SiC布局最久



預估雖然是樂觀的,但由於SiC晶體材料量產速度仍慢,目前仍限制在四吋與六吋,八吋還沒辦法量產,加上成本仍遠高於傳統矽基材料,一般預料,短期SiC功率元件的導入,仍將以高階電動車種為主,三∼五年內功率半導體市場仍將以傳統矽基材料元件為主流,之後才可能逆轉。

這其中,除了上述有跨入SiC功率元件生產的國際廠將受惠外,最值得留意的就是美商Cree(Cree.US)在二○一六年宣布大舉退出LED市場後,轉向SiC基板發展,並在去年與英飛凌簽訂長期的SiC基板供貨合約,今年五月,Cree宣布將斥資十億美元用於擴大SiC基板產能,是目前在SiC基板發展最為成熟的廠家,也是SiC半導體材料發展趨勢下最直接受惠的廠家。

而國內在SiC領域耕耘最久的,要屬漢磊(3707)及嘉晶(3016),兩家公司投入GaN及SiC的矽晶圓及晶圓代工技術已長達八年,明年起將可望小量出貨,短、中期雖然對獲利的挹注有限,但長線來看,漢磊及嘉晶都卡在相對有利的趨勢浪頭上,正因為趨勢正確,因此即便漢磊及嘉晶至今沒有獲利實績,還是能吸引資金長線卡位。



台積電、晶電將在GaN勝出



至於GaN材料,過去最為大家熟知的是用在LED上,但事實上,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,過去化合物半導體最為矽製程半導體廠商詬病的就是良率太低,惟經過多年的發展,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。

一般認為,六○○V將是SiC、GaN之間的主要分野,Yole Research更估計,在九○○V以內的低壓市場,GaN都有很大的應用潛力,而不管如何,電動車未來的三大趨勢:一是行駛里程必須延長;二是充電時間必須縮短;三是必須要有更高的電池容量,由於傳統矽基功率元件開關速度慢、能量損耗大,著實就缺少了應用利基,新世代寬能隙材料的發展勢必不會走回頭路。

台廠多年在GaN半導體代工領域發展已有一定的實力,除了全新(2455)、穩懋(3105)在磊晶及代工各據一片天外,晶電(2448)甚至可以做到從磊晶到晶片一條龍服務,晶電跨入GaN on Si發展也已逾五年,加上晶成半導體擁有磊晶生產優勢,未來當應用發展成熟,晶電在新半導體材料領域的實力可望台積電、世界先進並列,未來的轉骨之路也值得期待。

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