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    第三代半導體為什么這樣火?4 張圖秒懂GaN、SiC 關鍵技術

    2022-08-01

    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,那么第三代半導體到底是什么?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、寬帶隙是什么?

    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「硅」(Si),第二代半導體是「砷化鎵」(GaAs),第三代半導體(又稱「寬帶隙半導體」,WBG)則是「碳化硅」(SiC)和「氮化鎵」(GaN)。

    寬帶隙半導體中的「帶隙」(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、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料,數值分別為1.12 eV(電子伏特)和1.43 eV,第三代(寬帶隙)半導體的帶隙,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,科技產品對于高頻、高速運算、高速充電的需求上升,硅與砷化鎵的溫度、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,當芯片面積大幅減少后,有助于簡化周邊電路設計,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制程一樣,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。

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    ▲ 第三代半導體到了2000 年后,開始陸續推出產品

    SiC 和 GaN 各具優勢、發展領域不同

    了解到前三代半導體差異后,我們接著聚焦于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組件常用于電壓900V以下之領域,例如充電器、基站、5G通訊相關等高頻產品;SiC則是電壓大于1200 V,比如電動車相關應用。

    SiC 是由硅(Si)與碳(C)組成,結合力強,在熱量上、化學上、機械上都穩定,由于低耗損、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色能源發電設備。

    另外,SiC 本身是「同質磊晶」技術,所以品質好、組件可靠度佳,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,更高端的車款將朝向800V發展,這將是SiC的主力市場。不過,SiC 晶圓制造難度高,對于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,后面會多加詳述。

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    ▲ SiC 和 GaN 基板應用示意圖

    GaN 為橫向組件,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,但用于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器件(Power)、高射頻組件(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 射頻元件的應用范圍之一。

    若以基板技術來看,GaN 基板生產成本較高,因此GaN 組件皆以硅為基板,目前市場上的GaN功率元件以GaN-on-Si(硅基氮化鎵)以及GaN-on-SiC(碳化硅基氮化鎵)兩種晶圓進行制造。

    一般常聽到的GaN制程技術應用,例如上述的GaN RF射頻器件及PowerGaN,都來自GaN-on-Si的基板技術;至于GaN-on-SiC基板技術,由于碳化硅基板(SiC)制造困難,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)。

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    ▲ 射頻組件、Power GaN 都來自 GaN-on-Si 技術

    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、制造、封裝,不論在材料、IC設計及制造技術上,仍由國際IDM廠主導,代工生存空間小,目前臺灣地區的供貨商主要集中在上游材料(基板、磊晶)與晶圓代工。

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    ▲ 第三代半導體的晶圓制程 

    從技術層面來看,GaN-on-Si和GaN-on-SiC有不同問題待解決,除了制程困難、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制程要將氮化鎵磊晶長在硅基材上,有晶格不匹配的問題須克服。

    至于GaN-on-SiC的關鍵材料SiC基板,制程更是繁雜、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天就能制出高度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寸晶圓為主;臺廠則以4寸為主,6吋晶圓技術尚未規?;a。

    許多國家將SiC材料視為戰略性資源,代工廠要取得相對困難,原料價格也高;相較于SiC、GaN-on-Si可用于車用市場和快充,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。


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