宽能隙元件成小尺寸晶圆厂新希望

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和量子电脑。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！