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第三代半导体到底红什么?4 张图秒懂 GaN、SiC 这一项关键技术

2024-11-02 219


第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题,在 5G、电动车、再生能源、工业 4.0 发展中扮演不可或缺的角色,即使常听到这些消息,相信许多人对它仍一知半解,好比第三代半导体到底是什么?为何台积电、鸿海积极布局?台湾为什么必须跟上这一波商机?对此,本系列专题将用最浅显易懂、最全方位的角度,带你了解这个足以影响科技产业未来的关键技术。

第三代半导体、宽能隙是什么?

讲到第三代半导体,首先简单介绍一下第一、二代半导体。在半导体材料领域中,第一代半导体是“硅”(Si),第二代半导体是“砷化镓”(GaAs),第三代半导体(又称“宽能隙半导体”,WBG)则是“碳化硅”(SiC)和“氮化镓”(GaN)。

宽能隙半导体中的“能隙”(Energy gap),如果用最白话的方式说明,代表着“一个能量的差距”,意即让一个半导体“从绝缘到导电所需的最低能量”。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低能隙材料,数值分别为 1.12 eV 和 1.43 eV,第三代(宽能隙)半导体的能隙,SiC 和 GaN 分别达到 3.2eV、3.4eV,因此当遇到高温、高压、高电流时,跟一、二代比起来,第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电,特性更稳定,能源转换也更好。

一般人常有的第三代半导体迷思

随着 5G、电动车时代来临,科技产品对于高频、高速运算、高速充电的需求上升,硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限,难以提升电量和速度;一旦操作温度超过 100 度时,前两代产品更容易故障,因此无法应用在更严苛的环境;再加上全球开始重视碳排放问题,因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代下的新宠儿。

第三代半导体在高频状态下仍可以维持优异的效能和稳定度,同时拥有开关速度快、尺寸小、散热迅速等特性,当芯片面积大幅减少后,有助于简化周边电路设计,进而减少模组及冷却系统的体积。

很多人以为,第三代半导体与先进制程一样,是从第一、二代半导体的技术累积而来,其实不尽然。从图中来看,这三代半导体其实是平行状态,各自发展技术,由于中国、美国、欧盟积极发展第三代半导体,身为半导体产业链关键之一的台湾,势必得跟上这一趋势。

▲ 第三代半导体到了西元 2000 年后,开始陆续推出产品。(Source:科技新报制图)

SiC 和 GaN 各具优势、发展领域不同

了解到前三代半导体差异后,我们接着聚焦于第三代半导体的材料──SiC 和 GaN,这两种材料的应用领域略有不同,目前 GaN 元件常用于电压 900V 以下之领域,例如充电器、基地台、5G 通讯相关等高频产品;SiC 则是电压大于 1,200 V,好比电动车相关应用。

SiC 是由硅(Si)与碳(C)组成,结合力强,在热量上、化学上、机械上皆安定,由于低耗损、高功率的特性,SiC 适合高压、大电流的应用场景,例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿能发电设备。

另外,SiC 本身是“同质磊晶”技术,所以品质好、元件可靠度佳,这也是电动车选择使用它的主因,加上又是垂直元件,因此功率密度高。

现今电动车的电池动力系统主要是 200V-450V,更高阶的车款将朝向 800V 发展,这将是 SiC 的主力市场。不过,SiC 晶圆制造难度高,对于长晶的源头晶种要求高,不易取得,加上长晶技术困难,因此目前仍无法顺利量产,后面会多加详述。

▲ SiC 和 GaN 基板应用示意图。(Source:科技新报制图)

GaN 为横向元件,生长在不同基板上,例如 SiC 或 Si 基板,为“异质磊晶”技术,生产出来的 GaN 薄膜品质较差,虽然目前能应用在快充等民生消费领域,但用于电动车或工业上则有些疑虑,同时也是厂商极欲突破的方向。

GaN 应用领域则包括高压功率元件(Power)、高射频元件(RF),Power 常做为电源转换器、整流器,而平常使用的蓝牙、Wi-Fi、GPS 定位则是 RF 射频元件的应用范围之一。

若以基板技术来看,GaN 基板生产成本较高,因此 GaN 元件皆以硅为基板,目前市场上的 GaN 功率元件以 GaN-on-Si(硅基氮化镓)以及 GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)两种晶圆进行制造。

一般常听到的 GaN 制程技术应用,例如上述的 GaN RF 射频元件及 Power GaN,都来自 GaN-on-Si 的基板技术;至于 GaN-on-SiC 基板技术,由于碳化硅基板(SiC)制造困难,技术主要掌握在国际少数厂商手上,例如美国科锐(Cree)、II-VI及罗姆半导体(ROHM)。

▲ 射频元件、Power GaN 都来自 GaN-on-Si 技术。(Source:科技新报制图)

磊晶技术困难、关键 SiC 基板由国际大厂主导

第三代半导体(包括 SiC 基板)产业链依序为基板、磊晶、设计、制造、封装,不论在材料、IC 设计及制造技术上,仍由国际 IDM 厂主导,代工生存空间小,目前台湾供应商主要集中在上游材料(基板、磊晶)与晶圆代工。

▲ 第三代半导体的晶圆制程。(Source:科技新报制图)

从技术层面来看,GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 有不同问题待解决,除了制程困难、成本高昂外,光是材料端的基板、磊晶技术难度就高,因此未能放量生产。GaN-on-Si 制程要将氮化镓磊晶长在硅基材上,有晶格不匹配的问题须克服。

至于 GaN-on-SiC 的关键材料 SiC 基板,制程更是繁杂、困难,过程需要长晶、切割、研磨。生产 SiC 的单晶晶棒比 Si 晶棒困难,时间也更久,Si 长晶约 3 天就能制出高度 200 公分的晶棒,但 SiC 需要 7 天才能长出 2 到 5 公分的晶球,加上 SiC 材质硬又脆,切割、研磨难度更高。

目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飞凌(Infineon)、意法半导体(STM)、ROHM、三菱电机(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)等国际大厂主导,以 6 吋或 8 吋晶圆为主;台厂则以 4 吋为主,6 吋晶圆技术尚未规模化生产。

此外,SiC 基板原料大多仰赖国外进口,但许多国家将 SiC 材料视为战略性资源,台厂要取得相对困难,原料价格也高;相较于 SiC、GaN-on-Si 可用于车用市场和快充,GaN-on-SiC 应用方向不够明确,因此全力投入开发仍需要一段时间。

中国狠砸 10 亿人民币,台厂靠“打群架”策略抢攻商机

第三代半导体生产成本高昂,放量生产仍有难度,现阶段国内外厂商都朝着策略结盟,透过加强上下游垂直整合能力,将良率提升、降低成本,最终量产。

以台湾来看,强攻第三代半导体的集团分别有中美晶集团、汉民集团、广运集团。环球晶、汉民科技、稳晟科技以及广运集团去年和子公司太极成立“盛新材料”跨足 SiC 基板领域;台积电、世界先进、稳懋、宏捷科、环宇-KY、汉民子公司汉磊及嘉晶专攻磊晶技术与代工业务。

观察台湾在第三代半导体的布局进度,除了要先克服技术瓶颈,还面临国外大厂发展多年、技术领先,再加上中国“十四五规划”将砸 10 兆人民币、在 5 年内全力发展第三代半导体,打算来个“技术大超车”。作为半导体供应链关键要角的台湾,也已开始积极布局,盼能急起直追,在这场关键的第三代半导体战役上,台湾产业有不能输的压力。

(首图来源:shutterstock)

2021-09-22 18:01:00

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