GaN與SiC的未來發展與挑戰 電路整合與溝槽式結構成關鍵

陽明交通大學國際半導體學院副教授吳添立。DIGITIMES攝

GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)在功率半導體市場一直是扮演極為重要的角色，市場大多的討論大致上也是以其應用發展為主軸。但畢竟這兩類半導體相較於傳統的Si製程，其發展時間還是較晚，未來能否進一步發揚光大，也是許多人所關注的重點。有鑑於此，陽明交通大學國際半導體學院副教授吳添立憑藉過去在相關領域的研究已有超過10年的相關經驗，對於GaN與SiC的基本原理，及其產業動態有相當深入的認識與了解，故吳添立教授特別為市場說明GaN與SiC近期的發展與未來的挑戰。

GaN朝單一電路整合方向發展 省去成本也提升效能

在GaN功率元件的發展上，吳添立教授指出，在Converter(電力轉換器)的電路裡面，不只是功率電晶體的發展非常重要，功率二極體的發展也不容忽視。所以如何利用GaN的製程來開發出高效能功率二極體，會是未來非常重要的課題。以現今來看，GaN的電路主要是採用GaN的HEMT(High Electron Mobility Transistor)搭配SiC的二極體，利用封裝方式來加以整合。但這種做法不僅成本較高且要採取繞線方式處理，整體效率也會降低，但如果都是以GaN為基礎開發出HEMT與二極體，整合在單一晶圓上，將可以降低成本及整體效能還可以獲得相當程度的提升。

另外，在GaN相關的電路設計上，過往的做法通常是GaN元件會分為High Side與Low Side之分，再搭配一顆採用矽製程的驅動元件，如此一來就需要三顆IC才能完成電路設計。而終極目標，應該是設法利用GaN平台整合至一顆IC來實現電路設計。現階段，比利時imec的最新研發成果上已經能實現All GaN IC的目標。

此外，吳添立教授也提及，x86 CPU龍頭Intel的研究也提出將GaN HEMT所做出的N-MOSFET與矽製程的p-MOSFET加以整合，相關結果成功展示在十二吋的GaN-on-Si晶圓上並受到極大的注目。然而，以現階段來看，GaN的電壓範圍，約莫是在200V至900V左右的範圍，SiC則是從600V起跳，往更為高壓至3300V的範圍延伸。不過長期來看，GaN勢必也會更高壓的範圍發展，目前陽明交通大學吳添立教授的實驗室已經成功開發出達1200V的GaN HEMT元件，未來在1200V的市場領域，將有機會與SiC競爭。

溝槽式結構雖有挑戰 然已是SiC發展方向

SiC的發展上，吳添立教授表示，SiC功率元件的發展，會從市場主流的平面式結構，轉往所謂的溝槽式(Trench)發展，主要原因就是希望能達更低的導通電阻。但在這發展上的最大挑戰，就在於需要額外的蝕刻及溝槽式閘極氧化層的形成，相對的就會帶來溝槽式閘極可靠度的問題。

緊接著，他以目前主要大廠在SiC的發展來進行介紹。以Cree來說，該公司的做法還是傾向在平面式結構上持續優化，設法降低導通電阻。Infineon的發展，則已經從平面式結構往溝槽式發展。日本的ROHM則開發獨特的雙溝槽式結構來解決可靠度的問題。ST(意法半導體)，在產品藍圖的規劃上，同樣也會朝向溝槽式的結構發展。而在晶片端，目前已有最新研究展示使用SiC晶圓為基礎所開發出的SiC智慧電源應用導向的單晶片。

長期而言，吳添立教授認為，不論是GaN還是SiC的發展，八吋晶圓相關的磊晶技術發展會是相當重要的關鍵。這兩種功率半導體在車用電力轉換系統，皆有一定的重要性，不少市場調研機構也指出相關的產值也會不斷的成長，如何在關鍵技術上能有所突破，也是需要留意之處。