5G 時代熱門半導體:碳化矽、氮化鎵有什麼差別?

【為什麼我們挑選這篇文章】在物聯網、綠能、5G 時代,電子設備的能源效率更顯重要,而 SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)等化合物半導體則是提升效率的要角。由於 SiC、GaN 的耐受電壓與輸出功率不同,因此它們將在不同的場域下發揮性能。(責任編輯:郭家宏)

作者:SEMI 國際半導體產業協會

人工智慧(AI)、邊緣運算與萬物聯網趨勢,帶來無所不在的感測、通訊與功率解決方案需求,化合物半導體的重要性也隨之暴增。從資料中心裡的伺服器、網通設備,到手機上的 RF 功率放大器,以及為所有電子元件供應電力的功率元件,都將因化合物半導體的普遍運用,在性能上出現重大突破。

5G 通訊頻率高,能源效率更顯重要

台達電資通訊基礎設施事業群技術長蔡文蔭就指出,在萬物聯網的未來,資料中心需處理的資料量將呈現爆發式成長,連帶使得資料中心對電源、冷卻設備的需求增加。但在此同時,客戶也會對能源效率有更嚴格的要求。因為能源效率即便只是增加 1%,都能為客戶創造出可觀的節能效益。

聯發科技處長梁正柏則從終端裝置的角度出發,分享 5G 通訊在功率方面所面臨的挑戰。梁正柏指出,即便在 Sub 6GHz 頻段,5G 所使用的通訊頻率也高於 4G。光是在 RF 前端,訊號損失就會增加 1~2dB;再加上手機內部能留給天線的空間越來越小,5G 手機天線的性能,通常會減少 0.5~1.5dB。

EFFECT PHOTONICS 技術長 Tim Koene 表示,提到光電積體電路,業界普遍想到的都是矽光子(Silicon Photonic),並認為矽光子將在成本上擁有壓倒性優勢,其他基於化合物半導體的光電積體電路很難與之競爭。

以耐受電壓與輸出功率為界,SiC、GaN 各有其優勢場域

Yole Développement 電源與無線部門總監 Claire Troadec 表示,電源晶片產業大約每 20 年會有一次革命性突破,GaN on Si 與 SiC 將是引領這波新革命的要角。但由於材料特性不同,這兩種元件適合的應用市場也有所區隔。一般來說,以耐受電壓 600~650 伏特為界,高於此一區間的應用會以 SiC 為主;低於此一區間的市場則會是 GaN 的主戰場。就個別應用來說,SiC 最重要的應用會是電動車、軌道運輸與電動車充電站;GaN 最重要的應用則是消費性電源,其次是電動車與不斷電系統(UPS)等。

乾坤科技技術長詹益仁認為,GaN 在電源領域的應用潛力自 2010 年開始受到關注,當時業界對其發展前景相當看好,投入的廠商也不少。但由於 GaN 與矽的特性不同,操作方式也不一樣,因此在商品化初期遇到相當多問題,發展並不如預期順利。直到最近一兩年,GaN 在技術上才真的達到成熟階段,可以大量商品化。

GaN Systems 亞洲區總經理 Stephen Coates 則指出,以 GaN 材料製作的功率電晶體,經過多年發展,生態系統已經漸趨成熟。不僅市場上已有相當多標準產品,價格也十分具有競爭力。以往客戶最有疑慮的元件可靠度問題,現在也已不成問題。除了消費性電源之外,GaN Systems 也有伺服器、工業設備、能源儲存等領域的客戶,推出採用 GaN 功率元件的應用產品;汽車 Tier 1 客戶則正在設計導入階段。這些對元件品質、可靠度要求極為嚴謹的垂直產業開始採用,正是 GaN 元件可靠度已經不成問題的最佳證明。

產品線橫跨 GaN 與 SiC 的意法半導體(ST)則認為,兩種產品雖然有應用重疊之處,但由於技術特性的差異,會自然形成產品區隔。意法策略行銷經理 Filippo Di Giovanni 指出,GaN 與 SiC 應用重疊的地方,落在輸出功率 1~30kW 之間的應用,低於  1kW 的應用,GaN 有明顯的優勢,高於 30kW 的應用,則應該採用 SiC。

檢測、蝕刻、封裝陸續到位,寬能隙元件起飛可期

日月光處長邱基綜就指出,過去幾十年來,電源晶片的封裝一直在追求微型化、更好的散熱性能與更好的電氣特性,所用到的封裝技術也日益複雜。早年的電源晶片幾乎都使用打線封裝,但近年來採用覆晶封裝的電源晶片已越來越常見。而為了進一步在單一封裝體內實現更高的整合度,很多晶片商已經發展出將主被動元件整合在同一個基板上的封裝技術,推出外觀看似晶片,實為電源模組(Module)的產品。

在檢測部分,科磊(KLA)區域產品行銷經理周發業表示,就 SiC 而言,最關鍵的是晶圓投片生產前的瑕疵檢測,因為 SiC 晶圓出現缺陷的機率較高,因此在生產前的晶圓缺陷檢測十分關鍵。GaN 元件的狀況則正好相反,GaN 元件最棘手的地方在於,蝕刻製程不能對 GaN 的結構造成損傷,否則會對元件可靠度造成負面影響。因此,針對 GaN 元件,檢測重點在蝕刻加工後的檢測。

至於在蝕刻部分,住程科技(SPTS)系統副總裁 Dave Thomas 認為,SiC 蝕刻最具挑戰性的地方在於如何加快蝕刻的速度,以及加工的終點偵測。由於 SiC 的硬度相當高,要對此材料進行快速蝕刻是比較困難的。另外,因為 SiC 元件的電晶體未來都會採用溝槽式結構,這意味著加工的終點會在盲區,要透過終點偵測把蝕刻深度控制得恰到好處,也是相對挑戰的任務。

而在 GaN 的蝕刻方面,誠如周發業所言,GaN 層對蝕刻製程所造成的損傷相當敏感,故在蝕刻過程中,必須放慢速度,小心翼翼地進行。目前 SPTS 已經能做到將反應爐控制在電漿即將消失的極限條件,藉此把蝕刻速度放到最慢,以盡可能避免對元件結構造成損傷。

(本文經 SEMI 國際半導體產業協會 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈科技熱門關鍵字背後都有「它」 化合物半導體前景無可限量 〉。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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