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汽车半导体的发展趋势与策略(二)

碳化硅片由於长晶速度慢、缺陷率髙,晶圆供应远远无法满足需求。取得碳化硅片是现在进入汽车功率元件市场的起码门票。符世旻摄

面对汽车市场这个庞然巨物,半导体产业的反应与汽车产业截然不同,没有人想向上垂直整合去制造汽车,但是思维和考量方式有惊人的相似性。

前述功率元件,特别是第三代半导体,会由新能源车率先踏入汽车产业。但是汽车产业由於储存电能和能源效率的问题,传统的功率元件以及电池目前远远无法满足应用需求,引入新材料的发展成为解决方案。在功率元件上,第三代半导体具代表性的碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)被积极引入。

虽然第三代半导体元件也是半导体元件,但是要利用它们有别於矽元件的电、热特性来产生优异性能,也必须承受发展新材料的艰难过程。

目前碳化矽的长晶是用异於长矽锭的昇华法,速度慢而且良率低,主要原因是原始材料之一的碳离子太轻,在2,000多度的高温下会四处乱窜,造成碳化矽锭的晶格缺陷。碳化矽主流晶圆尺寸目前为6寸(氮化镓4寸),已经慢慢走向8寸,晶圆价格昂贵异常。

一个碳化矽功率元件的成本表中,晶圆成本占近50%。即使产业努力尝试降低晶圆价格2~3倍,预计到2025年晶圆仍占元件成本20%左右。一个对照的数据是先进制程的矽基元件,晶圆成本占晶圆售价不到1%。显然第三代半导体的晶圆制造中长晶是产品主要增值环节。

在此一思维下,几乎所有的功率元件大厂都已经向原材料上游整合,培养或购并长碳化硅片能力。譬如意法半导体(STM)的Norstel、英飞凌(Infineon)的Siltectra、罗姆(Rohm)的SiCrystal、SK海力士(SK Hynix)与SK Siltron等。有趣的是碳化硅片供应龙头Cree也加入了功率元件制造的行列,目前市占率暂居第三。

除了加入核心增值环节的竞争考虑外,长晶圆与元件制造的垂直整合还有其他好处。首先,这二者的挑战都是关於新材料的发展及控制应用,用於长晶的许多材料知识以及材料研发新方法如机器学习、第一原理计算等在此二环节都有用处,整合後可以充分发挥综效。

生产SiC晶圆虽然目前是知识及经验密集的产业,但是其生产设备并不昂贵。如果有足够的know-how,1亿美元已足以支持一家有足够规模经济的新创公司。Affordable investment是半导体厂愿意向上整合至原物料供应环节的原因之一。

另一个诱因也是短期因素,却对此时发展碳化矽功率元件是生死交关的事。碳化硅片由於长晶速度慢、缺陷率高,晶圆供应远远无法满足需求。取得碳化硅片是现在进入汽车功率元件市场的起码门票。

所以在半导体产业内,由功率元件的晶圆制造整合进碳化硅片制造(原物料)也是汽车半导体的另外一个趋势,这个趋势以前在半导体产业未有先例。这也意味着藉由纳米科技的制程演进、异构整合之外,材料科学将逐渐变成半导体另外一个主要的增值环节。

接续阅读:汽车半导体的发展趋势与策略(三)

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教於中央大学,後转往科技产业发展。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。曾於 Taiwan Semicon 任谘询委员,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。现在於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。