第三代半導(dǎo)體為什么這樣火？4 張圖秒懂GaN、SiC 關(guān)鍵技術(shù)
第三代半導(dǎo)體為什么這樣火？4 張圖秒懂GaN、SiC 關(guān)鍵技術(shù)
來源：technews(臺(tái)） 作者：林妤柔
第三代半導(dǎo)體是目前高科技領(lǐng)域最熱門的話題，在5G、電動(dòng)車、再生能源、工業(yè)4.0發(fā)展中扮演不可或缺的角色，即使常聽到這些消息，相信許多人對(duì)它仍一知半解，那么第三代半導(dǎo)體到底是什么？對(duì)此，本系列專題將用最淺顯易懂、最全方位的角度，帶你了解這個(gè)足以影響科技產(chǎn)業(yè)未來的關(guān)鍵技術(shù)。
第三代半導(dǎo)體、寬帶隙是什么？
講到第三代半導(dǎo)體，首先簡單介紹一下第一、二代半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中，第一代半導(dǎo)體是「硅」（Si），第二代半導(dǎo)體是「砷化鎵」（GaAs），第三代半導(dǎo)體（又稱「寬帶隙半導(dǎo)體」，WBG）則是「碳化硅」（SiC）和「氮化鎵」（GaN）。
寬帶隙半導(dǎo)體中的「帶隙」（Energy gap），如果用最白話的方式說明，代表著「一個(gè)能量的差距」，意即讓一個(gè)半導(dǎo)體「從絕緣到導(dǎo)電所需的最低能量」。
第一、二代半導(dǎo)體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料，數(shù)值分別為1.12 eV(電子伏特)和1.43 eV，第三代（寬帶隙）半導(dǎo)體的帶隙，SiC和GaN分別達(dá)到3.2eV、3.4eV，因此當(dāng)遇到高溫、高壓、高電流時(shí)，跟一、二代比起來，第三代半導(dǎo)體不會(huì)輕易從絕緣變成導(dǎo)電，特性更穩(wěn)定，能源轉(zhuǎn)換也更好。
一般人常有的第三代半導(dǎo)體迷思
隨著5G、電動(dòng)車時(shí)代來臨，科技產(chǎn)品對(duì)于高頻、高速運(yùn)算、高速充電的需求上升，硅與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達(dá)極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過100度時(shí)，前兩代產(chǎn)品更容易故障，因此無法應(yīng)用在更嚴(yán)苛的環(huán)境；再加上全球開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導(dǎo)體成為時(shí)代下的新寵兒。
第三代半導(dǎo)體在高頻狀態(tài)下仍可以維持優(yōu)異的效能和穩(wěn)定度，同時(shí)擁有開關(guān)速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當(dāng)芯片面積大幅減少后，有助于簡化周邊電路設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少模組及冷卻系統(tǒng)的體積。
很多人以為，第三代半導(dǎo)體與先進(jìn)制程一樣，是從第一、二代半導(dǎo)體的技術(shù)累積而來，其實(shí)不盡然。從圖中來看，這三代半導(dǎo)體其實(shí)是平行狀態(tài)，各自發(fā)展技術(shù)。
▲ 第三代半導(dǎo)體到了2000 年后，開始陸續(xù)推出產(chǎn)品
SiC 和 GaN 各具優(yōu)勢(shì)、發(fā)展領(lǐng)域不同
了解到前三代半導(dǎo)體差異后，我們接著聚焦于第三代半導(dǎo)體的材料——SiC和GaN，這兩種材料的應(yīng)用領(lǐng)域略有不同，目前GaN組件常用于電壓900V以下之領(lǐng)域，例如充電器、基站、5G通訊相關(guān)等高頻產(chǎn)品；SiC則是電壓大于1200 V，比如電動(dòng)車相關(guān)應(yīng)用。
SiC 是由硅（Si）與碳（C）組成，結(jié)合力強(qiáng)，在熱量上、化學(xué)上、機(jī)械上都穩(wěn)定，由于低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應(yīng)用場景，例如電動(dòng)車、電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能及離岸風(fēng)電等綠色能源發(fā)電設(shè)備。
另外，SiC 本身是「同質(zhì)磊晶」技術(shù)，所以品質(zhì)好、組件可靠度佳，這也是電動(dòng)車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。
現(xiàn)今電動(dòng)車的電池動(dòng)力系統(tǒng)主要是200V-450V，更高端的車款將朝向800V發(fā)展，這將是SiC的主力市場。不過，SiC 晶圓制造難度高，對(duì)于長晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長晶技術(shù)困難，因此目前仍無法順利量產(chǎn)，后面會(huì)多加詳述。
▲ SiC 和 GaN 基板應(yīng)用示意圖
GaN 為橫向組件，生長在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，為「異質(zhì)磊晶」技術(shù)，生產(chǎn)出來的 GaN 薄膜品質(zhì)較差，雖然目前能應(yīng)用在快充等民生消費(fèi)領(lǐng)域，但用于電動(dòng)車或工業(yè)上則有些疑慮，同時(shí)也是廠商極欲突破的方向。
GaN 應(yīng)用領(lǐng)域則包括高壓功率器件（Power）、高射頻組件（RF），Power 常做為電源轉(zhuǎn)換器、整流器，而平常使用的藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS 定位則是 RF 射頻元件的應(yīng)用范圍之一。
若以基板技術(shù)來看，GaN 基板生產(chǎn)成本較高，因此GaN 組件皆以硅為基板，目前市場上的GaN功率元件以GaN-on-Si（硅基氮化鎵）以及GaN-on-SiC（碳化硅基氮化鎵）兩種晶圓進(jìn)行制造。
一般常聽到的GaN制程技術(shù)應(yīng)用，例如上述的GaN RF射頻器件及PowerGaN，都來自GaN-on-Si的基板技術(shù)；至于GaN-on-SiC基板技術(shù)，由于碳化硅基板（SiC）制造困難，技術(shù)主要掌握在國際少數(shù)廠商手上，例如美國科銳（Cree）、II-VI及羅姆半導(dǎo)體（ROHM）。
▲ 射頻組件、Power GaN 都來自 GaN-on-Si 技術(shù)
磊晶技術(shù)困難、關(guān)鍵SiC基板由國際大廠主導(dǎo)
第三代半導(dǎo)體（包括SiC基板）產(chǎn)業(yè)鏈依序?yàn)榛?、磊晶、設(shè)計(jì)、制造、封裝，不論在材料、IC設(shè)計(jì)及制造技術(shù)上，仍由國際IDM廠主導(dǎo)，代工生存空間小，目前臺(tái)灣地區(qū)的供貨商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。
▲ 第三代半導(dǎo)體的晶圓制程
從技術(shù)層面來看，GaN-on-Si和GaN-on-SiC有不同問題待解決，除了制程困難、成本高昂外，光是材料端的基板、磊晶技術(shù)難度就高，因此未能放量生產(chǎn)。GaN-on-Si制程要將氮化鎵磊晶長在硅基材上，有晶格不匹配的問題須克服。
至于GaN-on-SiC的關(guān)鍵材料SiC基板，制程更是繁雜、困難，過程需要長晶、切割、研磨。生產(chǎn)SiC的單晶晶棒比Si晶棒困難，時(shí)間也更久，Si長晶約3天就能制出高度200公分的晶棒，但SiC需要7天才能長出2到5公分的晶球，加上SiC材質(zhì)硬又脆，切割、研磨難度更高。
目前SiC基板主要由Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導(dǎo)體（STM）、ROHM、三菱電機(jī)（Mitsubishi）、富士電機(jī)（Fuji Electric）等國際大廠主導(dǎo)，以6吋或8寸晶圓為主；臺(tái)廠則以4寸為主，6吋晶圓技術(shù)尚未規(guī)?；a(chǎn)。
許多國家將SiC材料視為戰(zhàn)略性資源，代工廠要取得相對(duì)困難，原料價(jià)格也高；相較于SiC、GaN-on-Si可用于車用市場和快充，GaN-on-SiC應(yīng)用方向不夠明確，因此全力投入開發(fā)仍需要一段時(shí)間。
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