解析化合物半导体SiC与GaN的应用潜力
- 林佩莹／台北
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节能减碳、电动车、5G 通讯与高速运算已经成为未来十年的科技主流趋势，气候变迁与COVID-19(新冠肺炎)更加速了科技发展的脚步，人们对于「能源」、「传感」及「通讯」都有了更高的期待与要求，推动电源供应、传感器、通讯基站与电源模块领域的另一波革新。
这意味着化合物半导体所扮演的角色越趋重要，传统矽(Si)晶圆已经达到效能瓶颈，如果要在效能上进一步突破，必须引进新材料与制程技术，目前企业普遍聚焦于「碳化矽(SiC)」和「氮化镓(GaN)」这两项第三代宽能隙半导体(Wide Band Gap；WBG Semiconductor)，它们拥有高功率及高切换频率的特性，能打造出高能量密度、小体积兼顾稳定性的划时代产品。
台湾在硅片产业位居全球领导地位，第三代半导体领域无疑是另一个产业成长机会，为了推广产业趋势和整合资源，国际半导体产业协会(SEMI)于9月6日至9月9日举办功率暨光电半导体周在线论坛，广邀各大顶尖企业共同交流，并探索合作机会。
演讲嘉宾包含应用材料(Applied Materials)、爱思强(AIXTRON)、宜普电源转换(Efficient Power Conversion)、稳懋半导体(Win Semiconductors)、富士康科技集团(Foxconn)、高平磊晶(IQE)、库力索法(Kulicke & Soffa)、纳微半导体(Navitas Semiconductor)、住程科技(SPTS Technologies)、意法半导体(STMicroelectronics)、台湾集成电路制造股份有限公司(TSMC)以及联电(UMC)一同分享产业最新洞见。
不只是业界，市场研究偕同学术机构也参与了本次在线论坛，包含 Yole Développement、工研院(ITRI)、电子时报(DIGITIMES)、以及台湾大学、阳明交通大学、中央大学、香港科技大学都提出对于第三代半导体的前瞻看法，说明产学界确实非常重视 SiC 与 GaN 技术的发展前景。
台积电资深处长段孝勤从市场现况出发，开头先介绍 BCD平台的功率半导体特性，这类产品以0.18和0.13微米成熟制程打造，具备高整合性、小体积及低功耗等优点，已经普遍用于车用与移动设备中的电源管理芯片，但他也解释经过10年的发展，新兴材料正快速崛起，其中GaN与SiC是目前发展最为成熟、也是逐渐被市场接受的新兴应用材料，但台积电选择在GaN方面投入更多研发资源，他看好GaN不但体积更小，还能提供3倍以上的充电效率，在快充技术、数据中心、逆变器、48V DC/DC电源供应以及电动车领域深具发展潜力。
从产品组合的角度来看，SiC与GaN彼此并不互相竞争，而是扮演着互补的角色，意法半导体处长周光祖指出SiC在高于1,000KW功率和高电压环境有很好的表现，例如电动车的逆变器，GaN则是更适用于较低功率、但切换频率超过10,000Hz的高频应用，像是移动设备快充或是RF射频元件。
Yole Développement研究机构总监Claire Troadec也为宽能隙半导体画出发展蓝图，估计GaN市场2021年还规模不到 1 亿美元，但随着手机跟笔记本电脑广泛采用GaN快充方案， 2026年将快速成长至10亿美元以上的规模；另外SiC市场的成长动力则来自电动车领域，2021年SiC市场规模约9亿美元，到了2026年预计超过30亿美元。
SiC在电动车领域已有卓越的应用出现，富士康半导体S事业群总经理陈伟铭说明电动车的牵引马达逆变器(Traction Inverter)传统是使用Si-IGBT作为功率元件，但特斯拉 Model 3却采用了SiC作为功率元件，具备更好的能源转换表现和散热效率。
相较传统的矽材提升3倍的电压与导热性，名古屋大学教授Hiroshi Amano更分析SiC大幅度减少了逆变器85%重量及50%体积，允许车厂把空间留给最重要的电池，使Model 3不论性能、续航还是成本都有了大幅度改善。
Kulicke & Soffa集团执行副总裁张赞彬观察到电动车的电源模块正从传统Si转移至SiC，未来会有更多电动车采用SiC作为逆变器解决方案，另外像是充电桩、家用充电设备同样会采用更多SiC电源模块。
另一方面，GaN则为移动设备、5G基站以及数据中心提供了理想的改善方案：Navitas Semiconductor技术长暨共同创始人Dan Kinzer分享他们成功在单个GaN元件中整合MOSFET、驱动器与电源管理芯片，这种整合式芯片可以大幅缩小充电头体积，充电速度还能提升3至10倍
GaN Systems亚洲区总经理Stephen Coates也看中GaN在快充技术的优异特性，他表示GaN的应用潜力不只能用于传统有线充电，在未来WPT 2.0标准的无线充电将可带给消费者更快速、稳定且散热极佳的高功率无线充电体验，将会比现有的无线充电解决方案好用许多，让未来移动设备完全无线化成为可能。
除了电动车与移动设备快充，第三代半导体也正为其他领域带来革新，Efficient Power ConversionCEOAlex Lidow就在简报中向观众展示由于人工智能普及、5G通讯及云端服务的蓬勃发展，数据中心更看重能量密度的提升以达到更高的能源效率，以eGaN为基础的48V方案不但体积减少一半，散热设计也有所改善，还具备更高的转换效率以满足客户高能量密度的需求。
稳懋半导体副董事长王郁琦则看好GaN将在5G RF射频元件中扮演重要的角色，可以实现更小体积、高切换频率、高能量密度的产品规格，将在5G毫米波(mmWave)基站和卫星相关应用有亮眼的表现。
虽然前景看似光明，但两者都面临产能不足跟制造成本居高不下的挑战，AIXTRON行销总监Vincent Meric透露SiC与GaN主流还是使用6寸晶圆制造，产能良率还有很大的进步空间，不只如此，SPTS副总裁Dave Thomas更指出SiC晶圆硬度逼近钻石，使得切割或刻蚀处理变得非常困难，成本也相当高，他也在论坛分享自家在GaN与SiC制程中的刻蚀、氧化以及沉积方案，能有助于WBG关键制程降低损失并提升良率。
为了解决产能和成本瓶颈，供应链正朝向8寸晶圆的方向发展，有助于减少成本并加速上市时间，联电资深处长邱显钦也赞同成本仍然是量产的关键因素，如果供应链预计从6寸规格扩展到8寸GaN 晶圆，现行8寸CMOS 厂房便可兼容80%产线，假设未来市场需求快速成长，具有低成本优势的8寸晶圆规格会是唯一选择，IQE总经理Drew Nelson甚至表示他们已经能供应12寸的RF GaN 磊晶硅片片，并适用现行12寸CMOS厂设备，能协助客户快速整合产线并达成规模化。
应用材料半导体产品事业群ICAPS科技项目处长何文彬认为电动车牵引逆变器正扩大采用SiC作为功率元件，另外GaN成为移动快充装置的主流方案，其中GaN RF高功率射频元件在5G毫米波领域相当热门，上述应用将驱动市场对于SiC与GaN需求快速成长。
展望未来十年，电动车、移动设备快充、5G通讯以及云端运算都会用到SiC及GaN两种第三代半导体材料，目前整个产业还在早期阶段，仍有许多良率、成本以及量产等难题必须克服，但可以确定的是未来电子产品对于能源需求会越来越高，功率半导体将扮演更加重要的角色。
全球半导体业者同样看到了这块商机，美、中、日韩等国家均在化合物半导体有所布局， SEMI自2017年即关注到化合物半导体的技术趋势与市场需求，整合产、官、学、研各界资源成立SEMI功率暨化合物半导体委员会，致力于协助台湾的化合物半导体产业链自主，并整合上中下游厂商，进一步强化整体产业链生态系统、促进合作并且引进优秀的技术人才，全方位推动台湾产业发展。
SEMI即将于12/28-12/30日举办SEMICON Taiwan 2021国际半导体展，为期三天的展览将规划一系列化合物半导体主题展区及商业联谊活动，汇聚设计、制造、封装及设备材料方案商于「化合物半导体创新应用馆」中展示电动车及充电桩应用，也将带给大家最前瞻的化合物半导体技术分享，
借此打造跨产业链、跨领域交流平台，透过对话与交流，创造更多合作与商机，强化资源整合发挥综效，加速推进技术及应用创新速度。
