5G、電動車熱潮下第三代半導體材料崛起!台廠要量產得先突破這些難題

(本文經 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〉 第三代半導體材料崛起 放量生產關鍵在上游材料端 。)

【為什麼我們要挑選這篇新聞】目前全球 95% 以上的半導體元件,都是以第一代半導體材料「矽」為基礎,但隨著 5G、電動車技術興起,對於高頻、高功率等技術需求提高,也導致「氮化鎵」、「碳化矽」等第三代化合物半導體材料成為市場焦點,然而台廠如果想大量生產,會需要克服什麼困難?(責任編輯:何泰霖)

隨著第三代半導體材料成為各半導體廠逐鹿之地,產業鏈的整合將加速產品開發進程,不過,目前氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等化合物半導體產品量產最大困難,除成本高昂外,氮化鎵晶圓、碳化矽晶圓等上游材料製程難度高、使供應量不足,也是挑戰。

氮化鎵成明星材料,台廠環球晶、嘉晶前景看好!

半導體材料歷經 3 個發展階段,第一代是矽(Si)等基礎功能材料;第二代進入由 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。

從台廠材料端來看,環球晶已有 6 吋 GaN on Si(矽基氮化鎵)量產能力,GaN on SiC(碳化矽基氮化鎵)由於製程難度較高,目前只做到 4 吋,SiC(碳化矽)產能則在取得認證中。而漢磊投控旗下磊晶矽晶圓廠嘉晶則具備 4 吋、6 吋碳化矽磊晶,及 6 吋氮化鎵磊晶量產能力。

製程技術門檻高、原料取得不易,成第三代半導體材料難以量產主因

而除成本高昂外,由於材料端的基板、磊晶難度仍高,使相關化合物半導體材料未能放量生產,市場上供應量仍不足。GaN on Si 製程是要將氮化鎵磊晶長在矽晶圓基板上,但兩者晶格不匹配,製程中容易產生翹曲,基板矽晶圓也需要特別製造。

碳化矽則受限於製造碳化矽晶圓的原料,大多需從國外進口,但越來越多國家視碳化矽材料為戰略性資源,採取出口管制,對台廠原料取得上造成很大壓力;另一方面,碳化矽長晶時間長、製程難度高,也是量產的困難之一。

「碳化矽」較氮化鎵更耐高溫、高壓,特斯拉 Model 3 已採用!

氮化鎵應用包括 5G 基地台與手機、電源、電動車等三大領域,環球晶看好,近 2、3 年會是氮化鎵相關材料逐步放量的轉捩點。晶圓代工龍頭台積電總裁魏哲家也看好氮化鎵應用前景,預期未來將會廣泛、且大量被使用。

而碳化矽相較於氮化鎵,更耐高溫、耐高壓,較適合應用於嚴苛的環境,應用包括不斷電系統、智慧電網、電源供應器等高功率應用領域。近來隨著電動車與混合動力車發展,碳化矽材料快速在新能源車領域崛起,特斯拉(Tesla)已在旗下 Model 3 電動車的逆變器中,率先採用 SiC MOSFET 元件,也讓 SiC MOSFET 在電動車領域掀起討論。

(本文經 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〉 第三代半導體材料崛起 放量生產關鍵在上游材料端 。首圖來源:Pexels)

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