〈觀察〉既有廠商擴產、新進者積極切入 碳化矽晶圓擁何種魅力?

5G、電動車應用興起,推升碳化矽晶圓成熱門新材料。(鉅亨網資料照)
5G、電動車應用興起,推升碳化矽晶圓成熱門新材料。(鉅亨網資料照)

隨著 5G、電動車等新應用興起,萬物聯網時代來臨,對功率半導體需求增溫,碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 等化合物半導體材料躍升成市場焦點;從最上游的半導體晶圓來看,碳化矽晶圓是勢頭正熱的新材料,不過,究竟是什麼原因,讓既有廠商與新進者,爭相擴產或佈局?

從化合物半導體優勢說起

半導體材料歷經 3 個發展階段,第一代是矽 (Si)、鍺 (Ge) 等基礎功能材料;第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料,以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等為代表;第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等寬頻化合物半導體材料。

目前全球 95% 以上的半導體元件,都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體,不過,隨著電動車、5G 等新應用,對電路高頻率、高功率元件需求成長,矽基半導體因受限矽材料的物理性質,在性能上有不易突破的瓶頸,也讓廠商開始著眼性能更優異的新材料,爭相投入化合物半導體領域。

近來再度成為市場焦點的,便是第三代半導體材料氮化鎵與碳化矽,其屬於寬能帶隙材料,具有高頻、耐高電壓、耐高溫等優勢,且導電性、散熱性佳,可降低能量耗損,元件體積相對較小,適合功率半導體應用。

由於在高電壓功率元件應用上,矽基元件因導通電阻過大,往往造成電能大量損耗,但矽材料遭遇瓶頸之下,氮化鎵、碳化矽導通電阻遠小於矽基材料,導通損失、切換損失降低,取而代之的是更高的能源轉換效率,挾著高頻、高壓等優勢,氮化鎵、碳化矽崛起成為 5G 時代的半導體材料明日之星。

氮化鎵主要應用於 600 至 1000 伏特的電壓區間,具備低導通電阻、高頻率等優勢,且對電磁輻射敏感度較低,可在高溫、高電壓環境下運作,為理想的微波頻率功率放大元件,應用包括變頻器、變壓器與無線充電。

氮化鎵為基地台、雷達與航空電子等無線通訊設備放大器首選,而未來 5G 基地台供電模組、電動車車載充電等領域,也將持續推升需求。雖然目前氮化鎵在射頻領域應用比重,仍高於電源領域,但包括電競電腦、資料中心伺服器等應用,已有部分氮化鎵功率元件開始導入,以提供更佳的電源轉換效率。

碳化矽材料也同樣具備低導通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優勢,可應用於 1200 伏特以上的高壓環境,相較於氮化鎵,碳化矽具備更高效率,應用層面廣泛,如風電、鐵路等大型交通工具、太陽能逆變器、不斷電系統、智慧電網、電源供應器等高功率應用領域。

碳化矽擁優勢 可望成為電動車零組件材料新寵兒

近來隨著電動車與混合動力車發展,碳化矽材料快速在新能源車領域崛起,主要應用包括車載充電器、降壓轉換器與逆變器。特斯拉 (Tesla) 已在旗下 Model 3 電動車的逆變器中,率先採用 SiC MOSFET 元件,降低傳導與開關損耗,進而提升 Model 3 行駛距離,也讓 SiC MOSFET 在電動車領域掀起討論。

然而,SiC MOSFET 性能與散熱表現雖然較佳,但受限成本過高,加上碳化矽晶圓生產技術複雜,良率表現不如矽晶圓,也使碳化矽目前在電動車領域滲透率仍不高。

不過,全球最大汽車零組件供應商 Delphi 今年 9 月發表最新使用碳化矽模組的 800 伏特逆變器,可延長電動車行駛距離、縮短電動車充電時間,也成功取得主要客戶為期 8 年的訂單合約,預計 2022 年起供貨客戶使用 800 伏特的高階車款。在全球最大汽車零組件大廠也投入碳化矽技術之下,也為未來碳化矽在車用市場的發展潛力,增添更多想像空間。

既有廠商大舉擴產 新進者積極切入

目前全球生產碳化矽晶圓的廠商,包括 CREE、羅姆半導體旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日鐵住金及道康寧 (Dow Corning),其中,CREE 市占率高達 6 成之多,幾乎獨霸市場,且 CREE 今年 5 月更宣布,看好 5G 與電動車後市需求,將在未來 5 年內,斥資 10 億美元擴產。

著眼碳化矽在電動車、電力電子領域的優勢,國內矽晶圓大廠、同時也是全球第三大矽晶圓供應商環球晶 (6488-TW),也積極跨入碳化矽晶圓領域,目前已有產品小量出貨,且環球晶今年 8 月更宣布與 GTAT 簽訂碳化矽晶球長約,確保取得長期穩定、且符合市場需求的碳化矽晶球供應,以加速碳化矽晶圓產品發展,擴增在全球半導體市場的相關供應鏈占比。

台廠除環球晶外,漢磊投控 (3707-TW) 旗下磊晶矽晶圓廠嘉晶 (3016-TW) 也切入碳化矽磊晶代工服務,同集團的晶圓代工廠漢磊科則是提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服務。

而韓國唯一的半導體矽晶圓廠 SK Siltron,呼應韓國政府近來推動的材料技術自主化政策,也在今年 9 月宣布擬收購美國化學大廠杜邦 (DuPont) 的碳化矽晶圓事業,積極切入次世代半導體晶圓技術。

在既有廠商與新進者相繼擴增產能佈局之下,碳化矽晶圓成為半導體新材料的趨勢已確立,雖然受限成本與技術門檻較高、產品良率不高等因素,使碳化矽晶圓短期內仍難普及,但隨著 5G、電動車需求持續驅動,將成為加速碳化矽晶圓市場快速發展的最大推手,且在產品可靠度與性能提高下,終端廠商對新材料的信心,也可望隨之提升。


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