產業趨勢報告｜第三類半導體重塑電動車、國防、航空之關鍵技術

發佈於: 2022/08/30|分類: 科技(Technology)|

第三類半導體材料同樣需要經過基板、磊晶、IC設計、製造、封裝等步驟，才能產生出一顆晶片，在處理高電壓、高頻訊號，或是在訊號的轉換速度上，第三代半導體都優於傳統的矽。然而要商業化首要面臨的關鍵課題是須發展出穩定且高品質的材料量產技術。

電動車為碳化矽功率元件最大市場應用

碳化矽磊晶的主要生產方式有超過90%的長晶廠，使用物理氣相傳輸法(PVT)，此法進入量產已經有20年以上歷史，但仍有先天上的技術瓶頸，由於必須在2000°C以上的高溫密閉真空環境中生長出大尺寸、高品質的碳化矽單晶需要精確的熱場控制、材料匹配能力，長期和大量資金投入研發才有可能在量產技術上取得突破，進入門檻極高讓其晶圓供應仍由少數大廠所掌握。另一高溫化學氣相沉積法起步較晚，不過因為其原料為高純度氣體，從產品的多樣性來看有其優勢。第三項液相磊晶法因生長出的薄膜缺陷密度低，在未來可能有極大的發展空間。

傳統功率元件可分成整流用途的二極體及開關用途的電晶體，最先商業化的碳化矽功率元件是蕭特基位障二極體(SBD)，技術已十分成熟。之後量產的金屬氧化物半導體場效應電晶體通常採用平面通道的垂直雙植入、垂直通道的溝槽式閘極等兩種結構，前者製程比較簡單，但導通電阻高，使得電子遷移率只能達到30~50 cm²/V-sec，如何提升至100 cm²/V-sec以上成為廠商研發的重要方向。後者導通電阻僅為前者的60%，但其溝槽蝕刻與閘極氧化等製程都需要精準控制，特別是為了降低溝槽底部電場而需要增加很多製程步驟，導致生產難度與成本偏高。相較矽製品，碳化矽功率元件能減少50%電能轉換損耗、降低20%電源轉換成本，因此適合高功率、高電能轉換效率之應用，其商業化初期先進入電源供應器市場，目前已滲透到電動車用逆變器(Inverter)、車載充電器(OBC) 、太陽光電用變流器、電動車充電樁領域，之後將逐步擴展到電力傳輸、高速鐵路等應用。目前市售電動車操作電壓則在300~400V，然而隨著電動車普及，充電速度會是一個很重要的消費者購買指標，因此系統往更高電壓是必然發展趨勢，部分高性能電動車已超過600V。而600V以下的車用功率元件大多採用矽基MOSEFT，600V以上則使用矽基IGBT，碳化矽功率元件被Tesla的Model 3使用導入者越來越多，它不會產生尾電流，能減少近90%開關耗損，且擊穿電壓為Si的十倍，除了能承受1000V以上高壓外，更能減少被動元件用量而縮小零件體積，故電動車盛行有助於碳化矽市場發展，其次為太陽光電及儲能，第三是電動車充電樁、如圖一所示。

圖一、碳化矽在功率應用的發展藍圖

資料來源：Yole Développement

氮化鎵高頻應用隨GaN on Si量產技術成熟，2030年後有機會商業化

氮化鎵性質十分稳定，目前業界最常使用MOCVD設備、以藍寶石基板上磊晶出氮化鎵單晶層，然而由於藍寶石基板和氮化鎵之晶格常數、熱膨脹系數相差頗大，若要製作射頻或功率元件必須要有低缺陷密度的磊晶層，已發展出的磊晶方法有氫化物氣相磊晶法(HVPE)、昇華法和助熔劑法，氫化物氣相磊晶法已是目前氮化鎵主流磊晶技術。

氮化鎵元件技術發展至今已超過20年，目前射頻應用多半採用高電子移動速度電晶體(HEMT)，功率應用則衍生出多種元件，可分為橫向與垂直型等兩類，目前學術研究及市售功率元件均以橫向型結構為主，包括高電子移動速度電晶體與金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSEFT)，前者因具有優異的二維電子氣特性，故性能優於後者，所以無論是射頻或功率應用，目前市售之氮化鎵元件主要採用高電子移動速度電晶體。

以成本觀點來看，矽晶圓是最具有利的選擇，但受到晶格匹配及磊晶成長時熱膨脹係數不匹配等問題影響，矽晶圓所能成長的氮化鎵磊晶層厚度較其他基板薄，間接影響了GaN on Si元件的崩潰電壓值，因此磊晶緩衝層的設計極其重要，對於元件的性能具有關鍵性影響。然而橫向結構元件易受表面電壓擊穿導致失效，所以更高功率應用須採用垂直型元件，但它要以昂貴氮化鎵晶圓製造，短期難以商業化。

早期氮化鎵射頻技術研發主要受到美國國防先進研究局支持，首先應用在國防領域，爾後再往有線電視、衛星通訊發展，4G時代進入基地台市場，5G啟用加速市場成長，主要以5G的小基站為主。預估2025年前GaN on SiC為主流技術，但隨著GaN on Si量產技術成熟，2030年後有機會成為市場主力產品，如圖二所列。

圖二、氮化鎵在高頻應用的發展藍圖