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宽能隙元件成小尺寸晶圆厂新希望

  • 林育中
宽能隙材料能应付高电压、大电流、高切换速度等要求,让既有制程大幅提升生产力、创造新价值。图为宽能隙材料之一碳化硅矿石。Andrew Silver

在后摩尔定律时代,各式各样的增加价值方式都被拿出来讨论。其中有一块是对于已经投入生产的庞大设备资产活化。方法包括自动化-以前150mm和200mm的设备自动化远逊于300mm的,再加上人工智能的增值,旧厂旧设备也能大幅提升生产力,创造新价值。

另一个方向是在这些已然故旧的制程、设备上创造新元件。在300mm的设备、非最先进制程上,谈的最多的是矽光子、MRAM和量子计算机。而在150mm/200mm上,已经开始上线的就是宽能隙(wide band gap)元件了。

物质的导电性质是由物质的能带(energy band)决定的。当价带(valence band)与导电带(conduction band)接触-带隙值为0,电子可以在各能带间自由移动,这就是导体。当价带与导电带分离很远-或者带隙值很大,电子困于价带无法自由移动,这就是绝缘体。带隙值在两者之间,导电或绝缘可以由外头施加电压来操控,这就是半导体。

过去半导体选用矽当材料是因为其能隙(energy gap)大小适中,矽的带隙值为1.1eV,在室温下性质稳定,操控的电压也毋需太大。然而在新的应用需求下,譬如高电压、大电流、高切换(switch)速度等要求,有更合适的材料来制做元件,这就是宽能隙材料。

宽能隙材料是指带隙在2~7eV之间的半导体。两种材料在科研界受注目已久,而在此时逐渐浮上产业台面的SiC(Silicon Carbide)与GaN(Gallium Nitride),它们的带隙分别是3.023eV(6H) / 3.265 eV(4H)与3.4eV(SiC有6H和4H两种结构)。宽能隙的好处是以它为材料制成的元件能够耐受的电压、电流和温度都较矽大幅提升,用术语来説,它们的击穿电压(breakdown voltage)很高。而且它们切换的速度快、能耗低,这就构成了功率元件的基础条件。

过去以矽为材料的功率元件包括二极管(bipolar)、功率晶体(power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)等,曾经也满足了部分的需求。但是在未来的5G、电动汽车、再生能源、快速充电等新应用上,宽能隙元件都有机会取代矽基功率元件。

SiC发展的较早,在150mm上已开始生产,目前有厂商开始生产200mm的晶圆,所以200mm芯片的设计与生产也不是太久的事,GaN目前还在150mm上。但它优异的性能让厂商迫不急待的商业化。

后摩尔定律时代增加价值的方式短期内将是百花齐放,但是有三个明显的大领域已然先成形:3D、人工智能与自动化,第三个则是材料,宽能隙元件正是其中显眼的一个方向!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。