第三代半導體到底紅什麼?4 張圖秒懂 GaN、SiC 這一項關鍵技術

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 22 日 9:00 | 分類 5G , 國際觀察 , 尖端科技 Telegram share ! follow us in feedly


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。

▲ 第三代半導體到了西元 2000 年後,開始陸續推出產品。(Source:科技新報製圖)

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。

▲ SiC 和 GaN 基板應用示意圖。(Source:科技新報製圖)

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)。

▲ 射頻元件、Power GaN 都來自 GaN-on-Si 技術。(Source:科技新報製圖)

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。

▲ 第三代半導體的晶圓製程。(Source:科技新報製圖)

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。

(首圖來源:shutterstock)

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