解析化合物半導體SiC與GaN的應用潛力
- 林佩瑩／台北
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節能減碳、電動車、5G 通訊與高速運算已經成為未來十年的科技主流趨勢，氣候變遷與COVID-19(新冠肺炎)更加速了科技發展的腳步，人們對於「能源」、「感測」及「通訊」都有了更高的期待與要求，推動電源供應、感測器、通訊基地台與電源模組領域的另一波革新。
這意味著化合物半導體所扮演的角色越趨重要，傳統矽(Si)晶圓已經達到效能瓶頸，如果要在效能上進一步突破，必須引進新材料與製程技術，目前企業普遍聚焦於「碳化矽(SiC)」和「氮化鎵(GaN)」這兩項第三代寬能隙半導體(Wide Band Gap；WBG Semiconductor)，它們擁有高功率及高切換頻率的特性，能打造出高能量密度、小體積兼顧穩定性的劃時代產品。
台灣在矽晶圓產業位居全球領導地位，第三代半導體領域無疑是另一個產業成長機會，為了推廣產業趨勢和整合資源，國際半導體產業協會(SEMI)於9月6日至9月9日舉辦功率暨光電半導體週線上論壇，廣邀各大頂尖企業共同交流，並探索合作機會。
演講嘉賓包含應用材料(Applied Materials)、愛思強(AIXTRON)、宜普電源轉換(Efficient Power Conversion)、穩懋半導體(Win Semiconductors)、鴻海科技集團(Foxconn)、高平磊晶(IQE)、庫力索法(Kulicke & Soffa)、納微半導體(Navitas Semiconductor)、住程科技(SPTS Technologies)、意法半導體(STMicroelectronics)、台灣積體電路製造股份有限公司(TSMC)以及聯電(UMC)一同分享產業最新洞見。
不只是業界，市場研究偕同學術機構也參與了本次線上論壇，包含 Yole Développement、工研院(ITRI)、電子時報(DIGITIMES)、以及台灣大學、陽明交通大學、中央大學、香港科技大學都提出對於第三代半導體的前瞻看法，說明產學界確實非常重視 SiC 與 GaN 技術的發展前景。
台積電資深處長段孝勤從市場現況出發，開頭先介紹 BCD平台的功率半導體特性，這類產品以0.18和0.13微米成熟製程打造，具備高整合性、小體積及低功耗等優點，已經普遍用於車用與行動裝置中的電源管理晶片，但他也解釋經過10年的發展，新興材料正快速崛起，其中GaN與SiC是目前發展最為成熟、也是逐漸被市場接受的新興應用材料，但台積電選擇在GaN方面投入更多研發資源，他看好GaN不但體積更小，還能提供3倍以上的充電效率，在快充技術、資料中心、逆變器、48V DC/DC電源供應以及電動車領域深具發展潛力。
從產品組合的角度來看，SiC與GaN彼此並不互相競爭，而是扮演著互補的角色，意法半導體處長周光祖指出SiC在高於1,000KW功率和高電壓環境有很好的表現，例如電動車的逆變器，GaN則是更適用於較低功率、但切換頻率超過10,000Hz的高頻應用，像是行動裝置快充或是RF射頻元件。
Yole Développement研究機構總監Claire Troadec也為寬能隙半導體畫出發展藍圖，估計GaN市場2021年還規模不到 1 億美元，但隨著手機跟筆電廣泛採用GaN快充方案， 2026年將快速成長至10億美元以上的規模；另外SiC市場的成長動力則來自電動車領域，2021年SiC市場規模約9億美元，到了2026年預計超過30億美元。
SiC在電動車領域已有卓越的應用出現，鴻海半導體S事業群總經理陳偉銘說明電動車的牽引馬達逆變器(Traction Inverter)傳統是使用Si-IGBT作為功率元件，但特斯拉 Model 3卻採用了SiC作為功率元件，具備更好的能源轉換表現和散熱效率。
相較傳統的矽材提升3倍的電壓與導熱性，名古屋大學教授Hiroshi Amano更分析SiC大幅度減少了逆變器85%重量及50%體積，允許車廠把空間留給最重要的電池，使Model 3不論性能、續航還是成本都有了大幅度改善。
Kulicke & Soffa集團執行副總裁張贊彬觀察到電動車的電源模組正從傳統Si轉移至SiC，未來會有更多電動車採用SiC作為逆變器解決方案，另外像是充電樁、家用充電設備同樣會採用更多SiC電源模組。
另一方面，GaN則為行動裝置、5G基地台以及資料中心提供了理想的改善方案：Navitas Semiconductor技術長暨共同創辦人Dan Kinzer分享他們成功在單個GaN元件中整合MOSFET、驅動器與電源管理晶片，這種整合式晶片可以大幅縮小充電頭體積，充電速度還能提升3至10倍
GaN Systems亞洲區總經理Stephen Coates也看中GaN在快充技術的優異特性，他表示GaN的應用潛力不只能用於傳統有線充電，在未來WPT 2.0標準的無線充電將可帶給消費者更快速、穩定且散熱極佳的高功率無線充電體驗，將會比現有的無線充電解決方案好用許多，讓未來行動裝置完全無線化成為可能。
除了電動車與行動裝置快充，第三代半導體也正為其他領域帶來革新，Efficient Power Conversion執行長Alex Lidow就在簡報中向觀眾展示由於人工智慧普及、5G通訊及雲端服務的蓬勃發展，資料中心更看重能量密度的提升以達到更高的能源效率，以eGaN為基礎的48V方案不但體積減少一半，散熱設計也有所改善，還具備更高的轉換效率以滿足客戶高能量密度的需求。
穩懋半導體副董事長王郁琦則看好GaN將在5G RF射頻元件中扮演重要的角色，可以實現更小體積、高切換頻率、高能量密度的產品規格，將在5G毫米波(mmWave)基地台和衛星相關應用有亮眼的表現。
雖然前景看似光明，但兩者都面臨產能不足跟製造成本居高不下的挑戰，AIXTRON行銷總監Vincent Meric透露SiC與GaN主流還是使用6吋晶圓製造，產能良率還有很大的進步空間，不只如此，SPTS副總裁Dave Thomas更指出SiC晶圓硬度逼近鑽石，使得切割或刻蝕處理變得非常困難，成本也相當高，他也在論壇分享自家在GaN與SiC製程中的刻蝕、氧化以及沉積方案，能有助於WBG關鍵製程降低損失並提升良率。
為了解決產能和成本瓶頸，供應鏈正朝向8吋晶圓的方向發展，有助於減少成本並加速上市時間，聯電資深處長邱顯欽也贊同成本仍然是量產的關鍵因素，如果供應鏈預計從6吋規格擴展到8吋GaN 晶圓，現行8吋CMOS 廠房便可相容80%產線，假設未來市場需求快速成長，具有低成本優勢的8吋晶圓規格會是唯一選擇，IQE總經理Drew Nelson甚至表示他們已經能供應12吋的RF GaN 磊晶矽晶圓片，並適用現行12吋CMOS廠設備，能協助客戶快速整合產線並達成規模化。
應用材料半導體產品事業群ICAPS科技項目處長何文彬認為電動車牽引逆變器正擴大採用SiC作為功率元件，另外GaN成為行動快充裝置的主流方案，其中GaN RF高功率射頻元件在5G毫米波領域相當熱門，上述應用將驅動市場對於SiC與GaN需求快速成長。
展望未來十年，電動車、行動裝置快充、5G通訊以及雲端運算都會用到SiC及GaN兩種第三代半導體材料，目前整個產業還在早期階段，仍有許多良率、成本以及量產等難題必須克服，但可以確定的是未來電子產品對於能源需求會越來越高，功率半導體將扮演更加重要的角色。
全球半導體業者同樣看到了這塊商機，美、中、日韓等國家均在化合物半導體有所佈局， SEMI自2017年即關注到化合物半導體的技術趨勢與市場需求，整合產、官、學、研各界資源成立SEMI功率暨化合物半導體委員會，致力於協助台灣的化合物半導體產業鏈自主，並整合上中下游廠商，進一步強化整體產業鏈生態系統、促進合作並且引進優秀的技術人才，全方位推動台灣產業發展。
SEMI即將於12/28-12/30日舉辦SEMICON Taiwan 2021國際半導體展，為期三天的展覽將規劃一系列化合物半導體主題展區及商業聯誼活動，匯聚設計、製造、封裝及設備材料方案商於「化合物半導體創新應用館」中展示電動車及充電樁應用，也將帶給大家最前瞻的化合物半導體技術分享，
藉此打造跨產業鏈、跨領域交流平台，透過對話與交流，創造更多合作與商機，強化資源整合發揮綜效，加速推進技術及應用創新速度。
