半導體材料邁入第三代:「氮化鎵」具備寬頻特性,是 5G 時代的台灣代工新領域

半導體產品示意圖

【為什麼我們要挑選這篇文章】半導體材料以「矽」為主,然而矽基半導體具有功耗高、切換頻率低等缺點,但 5G 產品又有高功耗、高頻等特性,為了提升 5G 效能,「氮化鎵」成為 5G 時代的重要材料,也是台灣代工廠的關鍵領域!(責任編輯:郭家宏)

蘋果 iPhone X 採用 3D 感測技術後,半導體材料砷化鎵因 VCSEL 等應用而聲名大噪,近來隨著 5G、電動車等新應用興起,對功率半導體需求增溫,新一代材料氮化鎵(GaN)挾著高頻率等優勢,快速攫獲市場目光;台廠繼站穩矽晶圓代工、砷化鎵晶圓代工龍頭地位後,也積極搶進氮化鎵領域,力拚再拿代工龍頭寶座。

矽基半導體切換頻率低,氮化鎵具有高頻優勢

半導體材料歷經 3 個發展階段,第一代是矽(Si)、鍺(Ge)等基礎功能材料;第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表;第三代則是氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬頻化合物半導體材料。

目前全球絕大多數半導體元件,都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體,不過,在高電壓功率元件應用上,矽基元件因導通電阻過大,往往造成電能大量損耗,且在高頻工作環境下,矽元件的切換頻率相對較低,性能不如寬頻化合物半導體材料。

矽基半導體受限矽材料的物理性質,而氮化鎵、碳化矽則因導通電阻遠小於矽基材料,導通損失、切換損失降低,可帶來更高的能源轉換效率。挾著高頻、高壓等優勢,加上導電性、散熱性佳,元件體積也較小,適合功率半導體應用,近來在 5G、電動車等需求推升下,氮化鎵等材料崛起成為半導體材料明日之星。

不過,其實氮化鎵材料廣為人知,是始於 LED 領域,1993 年時,日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN),開發出具高亮度的藍光 LED,人類也因此湊齊可發出三原色光的 LED。

擁有高頻優勢,氮化鎵是 5G 時代的理想半導體材料

LED 領域發光發熱後,近來受惠 5G、電動車應用推升,對高頻率、高功率元件需求成長,市場對氮化鎵的討論聲浪再度高漲。氮化鎵主要應用於 600 至 1000 伏特的電壓區間,具備低導通電阻、高頻率等優勢,可在高溫、高電壓環境下運作,但主要優勢仍在於高頻率元件,在高壓與高功率表現上,雖優於矽基材料,但不如碳化矽材料表現亮眼。

從應用面來看,氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電,為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。

由於 5G 技術採用更高的操作頻率,業界看好,GaN 元件將逐步取代橫向擴散金氧半導體(LDMOS),成為 5G 基地台主流技術;且在手機功率放大器(PA)方面,因 GaN 材料具備高頻優勢,未來也可望取代砷化鎵製程,成為市場主流。

現行的 GaN 功率元件,以 GaN-on-Si(矽基氮化鎵)、GaN-on-SiC(碳化矽基氮化鎵)2 種晶圓為主,雖然 GaN-on-SiC 性能相對較佳,但價格大幅高於 GaN-on-Si,也使 GaN-on-Si 仍為目前市場主流,主要應用於電力電子領域,未來可望大幅導入 5G 基地台的功率放大器(PA)。

5G 時代半導體革命,台灣代工廠絕不缺席

從台廠進度來看,磊晶矽晶圓廠嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶矽晶圓,已進入國際 IDM 廠認證階段,並爭取新訂單中;而同屬漢磊投控集團的晶圓代工廠漢磊科,則已量產 6 吋 GaN on Si 晶圓代工,瞄準車用需求;晶圓代工龍頭台積電也已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工服務。

至於 GaN-on-SiC 磊晶晶圓,則在散熱性能上具優勢,適合高溫、高頻操作環境,主要應用在功率半導體的車用、工業與消費型電子元件領域,少量應用於通訊射頻領域。目前 GaN-on-SiC 晶圓可做到 4 吋與 6 吋,未來可望朝 8 吋推進,惟磊晶技術主要集中在碳化矽晶圓大廠 Cree 手中,其在 SiC 晶圓市占率高達 6 成之多,幾乎獨霸市場。

不過,在晶圓代工產能方面,三五族半導體晶圓代工廠穩懋已開始提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工服務,應用瞄準高功率 PA 及天線;而環宇 – KY 也擁有 4 吋 GaN-on-SiC 高功率 PA 產能,且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工產能已通過認證。

晶圓代工廠世界先進也在 GaN 材料上投資超過 4 年時間,持續與設備材料廠 Kyma、及轉投資 GaN 矽基板廠 Qromis 攜手合作,著眼開發可做到 8 吋的新基底高功率氮化鎵技術 GaN-on-QST,今年可望有小量樣品送樣,初期主要瞄準電源領域應用。

5G 應用推升氮化鎵材料需求,而除站穩矽晶圓代工龍頭、砷化鎵晶圓代工龍頭寶座外,台廠在第三代半導體材料上,當然也不能缺席,包括矽晶圓代工廠、三五族半導體晶圓代工廠,均積極佈局氮化鎵領域,以迎接 5G 時代下的半導體材料新革命。

(本文經合作夥伴 鉅亨網 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈〈觀察〉 繼矽晶圓、砷化鎵後 氮化鎵成台廠下一個競逐的代工龍頭戰場 〉。首圖來源:Pexels CC Licensed

更多關於半導體的資訊

為了塞入 5G 元件與提升電池容量,「SLP」將是 5G 手機的關鍵技術!
電池可以當記憶體?日本研發出三值記憶體,可用「三種電壓狀態」提升空間效率
傳統的矽難以克服高頻能量損耗,「碳化矽」將是 5G 世代的關鍵半導體材料


《TO》品牌活動「CONNECT」上線!

主打「強 AI、精準醫療、5G、邊緣運算」四大專題,點擊 馬上報名 獲取最新深度報導!  

點關鍵字看更多相關文章: