先探/寬能隙半導體元件慢火加溫

(圖/先探投資週刊 提供)

雲端運算、5G及電動車快速發展,耐高溫、高壓的寬能隙半導體元件逐步在半導體市場占有一席之地,一場電力電子產品的開發革命正全面展開。

【文/林麗雪】

二○一九年的科技產業沒有太多的亮點,但因應5G及電動車等行業需要更耐高溫、高壓及高功率的元件,寬能隙(Wide Band-gap,WBG)材料的應用被寄予厚望,然而,過去這類材料受限於晶圓製造單價高昂且為歐美已開發國家戰略管制品,一直無法大量轉換成市場規模,但隨著愈來愈多廠商加速投入,生產技術及成本將逐步降低,可預見的未來,寬能隙元件在半導體市場勢必占有一席之地,國內的相關供應鏈也值得長期深入探索。

寬能隙指的是包括由碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)兩種材料產生的半導體元件,相較於已發展逾五○年的矽(Si)材料半導體元件,碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN),由於能隙寬(能隙的大小關係半導體元件的導電性)、電子飽和速率高等特點,由SiC基底發展出來的半導體元件,除了有耐高溫、高壓等特性外,還具有電阻小、電流大與低耗電等特性。

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耐高溫、高壓是主要特性

高電壓就意謂著更低的電流,系統使用的銅金屬總量會減少,直接影響的就是系統成本的降低;再者,高電壓促成產生的電阻損耗較少,可達到更好的效率,也能做到極小的開關損耗,對於需要高切換頻率應用的產品來說,能提高功率密度,進而減少電容、電感的使用,甚至機器元件尺寸與重量都可因此縮減。

此外,因碳化矽(SiC)材料的寬能隙特性,能實現阻斷電壓在六○○V以上到數千V之間的低損耗、且能夠應用在高溫或輻射等極端環境下,由此材料產生的功率元件,可達到傳統矽(Si)功率元件無法實現的低電力轉換損失,並可廣泛應用在LED照明、電動車、智慧電網、工業等需要電源轉換效率的節能產品上。

特別是電動車和未來將積極發展的自動駕駛,寬能隙元件將主導電動車的關鍵應用,包括充電基礎設施、車載充電器、牽引逆變器和車載DC-DC轉換器等,據研究,牽引逆變器是可以從GaN和SiC技術中受益最多的,因為使用GaN和SiC元件後,可以減輕汽車的重量,提高能效,並讓電動車能夠行駛更遠距離,同時可以使用更小的電池和冷卻系統。而電源轉換器方面,則有SiC蕭特基二極體、SiC MOSFET及GaN-on-SiC等功率元件將應運而生。

既然以碳化矽為基材的元件性能優勢如此顯著,何以始終無法放量?這和碳化矽晶圓製造及產能良率仍低、生產成本仍過高有很大的關係。

短期受限晶圓品質不穩定

由於碳化矽材料的硬度極高,僅次於全世界硬度最高的金剛石,因此,碳化矽半導體製程必須在高溫與高壓的條件下才能生產,一般而言,矽晶的生長環境在一五○○度C左右即可完成,碳化矽則需要在二千度以上的高溫下生產,這讓碳化矽從最上游的長晶就面臨更高的生產難度。

業者分析,包括矽晶棒與LED基板用的藍寶石,都使用液相拉晶法,但碳化矽目前已在使用的長晶技術則包含有高溫化學氣象沉積法(HTCVD,也是目前良率最高的生產法)與高溫昇華法(HTCVT)兩種,不管是哪一種,工作溫度都需要二六○○度以上,而不同於矽晶棒與藍寶石在長晶過程中,都可隨時觀察晶體的生長狀況,SiC長晶的困難點除了在石墨坩鍋無法即時觀察晶體生產狀況外,要生長出大尺寸、無缺陷、全區皆為同一晶態,則需要非常精確的熱場控制及材料配合才行,長晶的技術門檻相較於傳統的矽及藍寶石來得高許多。(全文未完)

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