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第三代半導體到底紅什麼？ (GaN、SiC 這一項關鍵技術)

文章發表時間：2021-10-18 11:30:39 / 劵商管理者發表

發表內容：

第三代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，在 5G、電動車、再生能源、工業 4.0 發展中扮演不可或缺的角色，即使常聽到這些消息，相信許多人對它仍一知半解，好比第三代半導體到底是什麼？為何台積電、鴻海積極布局？台灣為什麼必須跟上這一波商機？對此，本系列專題將用最淺顯易懂、最全方位的角度，帶你了解這個足以影響科技產業未來的關鍵技術。第三代半導體、寬能隙是什麼？講到第三代半導體，首先簡單介紹一下第一、二代半導體。在半導體材料領域中，第一代半導體是「矽」（Si），第二代半導體是「砷化鎵」（GaAs），第三代半導體（又稱「寬能隙半導體」，WBG）則是「碳化矽」（SiC）和「氮化鎵」（GaN）。寬能隙半導體中的「能隙」（Energy gap），如果用最白話的方式說明，代表著「一個能量的差距」，意即讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。第一、二代半導體的矽與砷化鎵屬於低能隙材料，數值分別為 1.12 eV 和 1.43 eV，第三代（寬能隙）半導體的能隙，SiC 和 GaN 分別達到 3.2eV、3.4eV，因此當遇到高溫、高壓、高電流時，跟一、二代比起來，第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換也更好。一般人常有的第三代半導體迷思隨著 5G、電動車時代來臨，科技產品對於高頻、高速運算、高速充電的需求上升，矽與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過 100 度時，前兩代產品更容易故障，因此無法應用在更嚴苛的環境；再加上全球開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導體成為時代下的新寵兒。第三代半導體在高頻狀態下仍可以維持優異的效能和穩定度，同時擁有開關速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當晶片面積大幅減少後，有助於簡化周邊電路設計，進而減少模組及冷卻系統的體積。很多人以為，第三代半導體與先進製程一樣，是從第一、二代半導體的技術累積而來，其實不盡然。從圖中來看，這三代半導體其實是平行狀態，各自發展技術，由於中國、美國、歐盟積極發展第三代半導體，身為半導體產業鏈關鍵之一的台灣，勢必得跟上這一趨勢。 SiC 和 GaN 各具優勢、發展領域不同了解到前三代半導體差異後，我們接著聚焦於第三代半導體的材料──SiC 和 GaN，這兩種材料的應用領域略有不同，目前 GaN 元件常用於電壓 900V 以下之領域，例如充電器、基地台、5G 通訊相關等高頻產品；SiC 則是電壓大於 1,200 V，好比電動車相關應用。 SiC 是由矽（Si）與碳（C）組成，結合力強，在熱量上、化學上、機械上皆安定，由於低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應用場景，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備。另外，SiC 本身是「同質磊晶」技術，所以品質好、元件可靠度佳，這也是電動車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。現今電動車的電池動力系統主要是 200V-450V，更高階的車款將朝向 800V 發展，這將是 SiC 的主力市場。不過，SiC 晶圓製造難度高，對於長晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長晶技術困難，因此目前仍無法順利量產，後面會多加詳述。 GaN 為橫向元件，生長在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，為「異質磊晶」技術，生產出來的 GaN 薄膜品質較差，雖然目前能應用在快充等民生消費領域，但用於電動車或工業上則有些疑慮，同時也是廠商極欲突破的方向。 GaN 應用領域則包括高壓功率元件（Power）、高射頻元件（RF），Power 常做為電源轉換器、整流器，而平常使用的藍牙、Wi-Fi、GPS 定位則是 RF 射頻元件的應用範圍之一。若以基板技術來看，GaN 基板生產成本較高，因此 GaN 元件皆以矽為基板，目前市場上的 GaN 功率元件以 GaN-on-Si（矽基氮化鎵）以及 GaN-on-SiC（碳化矽基氮化鎵）兩種晶圓進行製造。一般常聽到的 GaN 製程技術應用，例如上述的 GaN RF 射頻元件及 Power GaN，都來自 GaN-on-Si 的基板技術；至於 GaN-on-SiC 基板技術，由於碳化矽基板（SiC）製造困難，技術主要掌握在國際少數廠商手上，例如美國科銳（Cree）、II-VI及羅姆半導體（ROHM）。磊晶技術困難、關鍵 SiC 基板由國際大廠主導第三代半導體（包括 SiC 基板）產業鏈依序為基板、磊晶、設計、製造、封裝，不論在材料、IC 設計及製造技術上，仍由國際 IDM 廠主導，代工生存空間小，目前台灣供應商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。從技術層面來看，GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 有不同問題待解決，除了製程困難、成本高昂外，光是材料端的基板、磊晶技術難度就高，因此未能放量生產。GaN-on-Si 製程要將氮化鎵磊晶長在矽基材上，有晶格不匹配的問題須克服。至於 GaN-on-SiC 的關鍵材料 SiC 基板，製程更是繁雜、困難，過程需要長晶、切割、研磨。生產 SiC 的單晶晶棒比 Si 晶棒困難，時間也更久，Si 長晶約 3 天就能製出高度 200 公分的晶棒，但 SiC 需要 7 天才能長出 2 到 5 公分的晶球，加上 SiC 材質硬又脆，切割、研磨難度更高。目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導體（STM）、ROHM、三菱電機（Mitsubishi）、富士電機（Fuji Electric）等國際大廠主導，以 6 吋或 8 吋晶圓為主；台廠則以 4 吋為主，6 吋晶圓技術尚未規模化生產。此外，SiC 基板原料大多仰賴國外進口，但許多國家將 SiC 材料視為戰略性資源，台廠要取得相對困難，原料價格也高；相較於 SiC、GaN-on-Si 可用於車用市場和快充，GaN-on-SiC 應用方向不夠明確，因此全力投入開發仍需要一段時間。中國狠砸 10 億人民幣，台廠靠「打群架」策略搶攻商機第三代半導體生產成本高昂，放量生產仍有難度，現階段國內外廠商都朝著策略結盟，透過加強上下游垂直整合能力，將良率提升、降低成本，最終量產。以台灣來看，強攻第三代半導體的集團分別有中美晶集團、漢民集團、廣運集團。環球晶、漢民科技、穩晟科技以及廣運集團去年和子公司太極成立「盛新材料」跨足 SiC 基板領域；台積電、世界先進、穩懋、宏捷科、環宇-KY、漢民子公司漢磊及嘉晶專攻磊晶技術與代工業務。觀察台灣在第三代半導體的布局進度，除了要先克服技術瓶頸，還面臨國外大廠發展多年、技術領先，再加上中國「十四五規劃」將砸 10 兆人民幣、在 5 年內全力發展第三代半導體，打算來個「技術大超車」。作為半導體供應鏈關鍵要角的台灣，也已開始積極布局，盼能急起直追，在這場關鍵的第三代半導體戰役上，台灣產業有不能輸的壓力。摘自：https://technews.tw/2021/09/22/wide-band-gap-gan-sic/

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