• 氮化鎵材料迎來新應用, 快充、電動車功率元件、5G射頻、MicroLED新技術少不了它
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作者:林麗雪     文章出處:先探雜誌   2080期      出刊區間:2020/02/27~2020/03/05

高壓高頻高功率元件需求開展,快充之後,電動車需求亦日殷,隨晶圓代工量產技術逐漸到位,氮化鎵磊晶材料廠的地位亦愈來愈凸顯。
繼小米、Oppo快充插座大量導入氮化鎵(GaN)技術、並開始進入大規模成長之後,台積電(2330)及歐洲功率元件IDM大廠意法半導體(ST Microelectronics)宣布攜手合作開發氮化鎵(GaN)製程技術,推進電動車功率元件市場,氮化鎵技術在新的應用場景落地將再下一城!氮化鎵材料產業的投資能見度也將再上層樓。



磊晶廠磨劍多年擁優勢



一般預估,未來三到五年,包括電動車、5G通信乃至於新世代顯示技術MicroLED的應用,都和氮化鎵技術脫離不了關係,然,氮化鎵屬三五族化合物半導體材料,實務上來看,過去在結合傳統半導體製程,都面臨良率提升困難,氮化鎵材料特殊的複雜性是最大關鍵,而也正由於進入門檻高,未來有實力勝出廠家,將相對有看頭。

氮化鎵其實是第三代半導體材料中的一環,其他包括碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AIN)等,都是所謂的寬能隙半導體材料。簡單來說,寬能隙半導體是高溫、高頻及大功率元件的最適材料,和第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)…等相較,第三代半導體材料在化學穩定性、導熱、導電性能都更好,加上能耐高電壓、高電流、也具高頻,能廣泛地符合5G、電動車、消費性電子產品的電力快充及射頻需求,但就材料特性來看,目前發展較成熟的是碳化矽及氮化鎵,至於氧化鋅、金剛石及氮化鋁等材料的應用,都尚不成熟。

然如上所提,化合物半導體有其特殊的複雜性,光在磊晶部分,依製程的不同,良率就可能大異其趣。一般而言,化合物半導體磊晶製程可分為LPE(液相磊晶)、MOCVD(有機金屬氣相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。



不同基板材料發展各異



其中,LPE的技術較低,主要用於一般的發光二極體,四元LED的技術多屬於這部分;而MBE的技術層次較高,容易長出極薄的磊晶,且純度高、平整性好,但量產能力低,磊晶成長速度慢,國內已掛牌的MBE製程代表廠家為IET-KY(4971),也是全球唯二的MBE磊晶廠;MOCVD則是除了純度高、平整性好外,量產能力及磊晶成長速度都較MBE為快,也因此,目前大多數廠商都以MOCVD來生產,代表廠除了兩岸的磊晶龍頭廠晶電(2448)、三安光電(600703.SZ)外,就連這幾年因為蘋果3D感測而受矚目的英國IQE及美國Finisar等,也都以MOCVD為主要磊晶製程。

「比起液體,氣體的控制難度不僅高、且高出很多」,熟悉LED磊晶製程的工程師即指出,氣相磊晶(MOCVD)比起傳統的液相磊晶,更難控制許多,而這也是為何氮化鎵磊晶的良率一般能達到八成以上,就已經算是很不錯的製程水準,這看在良率動輒九九%以上的半導體業者眼裡,很是匪夷所思,而這根本原因就在於化合物材料的複雜性。

磊晶之後,結合基板又是另一大量產考驗。氮化鎵目前在LED的應用已相當成熟,但基板的應用主流是藍寶石,而非矽基板,原因在於氮化鎵的熱膨脹係數遠大過於矽,這種不協調的狀況可能會在製程中導致磊晶膜破裂或晶圓彎曲變形,雖然在大尺寸、成本低廉的矽晶圓上長成氮化鎵,並用半導體生產線相容的製程,成本會減少很多,但最終LED的量產應用,仍以藍寶石基板為主流。

但如上所提,氮化鎵具有高溫、高壓、高頻、高功率操作的特性,除了可作為LED光發材料外,還有很多的出路,如用於5G的微波射頻或電力電子領域,這些具成長潛力的領域,都是大廠磨刀霍霍跨足氮化鎵領域的原因。

惟隨著氮化鎵基板材料的不同,應用場景及最終商用化的時程也多有不同。就基底材料來看,業者指出,GaN-on-Si及GaN-on-GaN都是電力電子應用領域,微波射頻則將主要應用GaN-on-Sic技術。



三安、晶電磊晶大贏家



就矽、碳化矽及氮化鎵三種基板材料來看,氮化鎵的各項性能都優,與氮化鎵磊晶的匹配度最高,但最大的缺點就是基板材料尺寸小,量產成本高出許多;其次是碳化矽,雖然目前的量產可達六吋,按照全球SiC基板產量最大的廠商CREE的規劃,二○二二年將可量產八吋,但碳化矽一樣有成本過高的問題,原因在於碳化矽晶體的長成過程遠比矽晶體更費時冗長,不僅晶體長成難度高,後面的切磨拋也是問題,因此,一般預估,碳化矽要大量成熟應用,至少還要三年以上。

隨著時間推移至今,製程已相當成熟的矽,是目前能優化大尺寸氮化鎵磊晶技術的基板材料,也是短時間內最具有經濟效益的產出,據了解,氮化鎵技術目前已可與八吋晶圓廠製程匹配,因為GaN元件有高頻率、小體積的優勢,主要應用將在快充。惟業者指出,該技術仍面臨異質磊晶結構缺陷等問題,較適合一○○∼二○○V的應用,在稍高能量密度的應用上,GaN-on-Si則有可靠性的顧慮,若要滿足六○○V以上的高功率應用,一則需要技術進一步突破,再者就是採用GaN-on-GaN,因為其品質相對較為穩定,可能較適合,然而,GaN-on-GaN由於基板尺寸小,成本也相對較高,現階段僅可能為電動車高壓利基市場應用。

總括來看,技術層面而言,GaN的材料應用已經是現在進行式,隨著下游應用逐漸開展,中游晶圓代工量產實力也持續躍進下,具備GaN磊晶實力的上游化合物半導體廠包括陸廠三安光電、台廠晶電、IET-KY等,預料也將迎來新的應用春天。

其中,晶電自二○一五年取得德國ALLOS Semiconductors矽基氮化鎵(GaN-on-Si)的技術授權後,旗下晶成半導體GaN-on-Si晶片已投產,另公司也正積極研發GaN-on-GaN技術,將瞄準600V以上的功率元件應用,以取代MOSFET、IGBT等矽功率元件應用,技術到位後,就待訂單手到擒來,中長期的發展前景也可期。

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