〈觀察〉第三代半導體材料崛起 放量生產關鍵在上游材料端

第三代半導體材料近來已然成為顯學。(圖:AFP)
第三代半導體材料近來已然成為顯學。(圖:AFP)

隨著第三代半導體材料成為各半導體廠逐鹿之地,產業鏈的整合將加速產品開發進程,不過,目前氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等化合物半導體產品量產最大困難,除成本高昂外,氮化鎵晶圓、碳化矽晶圓等上游材料製程難度高、使供應量不足,也是挑戰。

半導體材料歷經 3 個發展階段,第一代是矽 (Si) 等基礎功能材料;第二代進入由 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。

從台廠材料端來看,環球晶 (6488-TW) 已有 6 吋 GaN on Si(矽基氮化鎵) 量產能力,GaN on SiC(碳化矽基氮化鎵) 由於製程難度較高,目前只做到 4 吋,SiC(碳化矽) 產能則在取得認證中。而漢磊投控 (3707-TW) 旗下磊晶矽晶圓廠嘉晶 (3016-TW) 則具備 4 吋、6 吋碳化矽磊晶,及 6 吋氮化鎵磊晶量產能力。

而除成本高昂外,由於材料端的基板、磊晶難度仍高,使相關化合物半導體材料未能放量生產,市場上供應量仍不足。GaN on Si 製程是要將氮化鎵磊晶長在矽晶圓基板上,但兩者晶格不匹配,製程中容易產生翹曲,基板矽晶圓也需要特別製造。

碳化矽則受限於製造碳化矽晶圓的原料,大多需從國外進口,但越來越多國家視碳化矽材料為戰略性資源,採取出口管制,對台廠原料取得上造成很大壓力;另一方面,碳化矽長晶時間長、製程難度高,也是量產的困難之一。

氮化鎵應用包括 5G 基地台與手機、電源、電動車等三大領域,環球晶看好,近 2、3 年會是氮化鎵相關材料逐步放量的轉捩點。晶圓代工龍頭台積電 (2330-TW) 總裁魏哲家也看好氮化鎵應用前景,預期未來將會廣泛、且大量被使用。

而碳化矽相較於氮化鎵,更耐高溫、耐高壓,較適合應用於嚴苛的環境,應用包括不斷電系統、智慧電網、電源供應器等高功率應用領域。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,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,也讓 SiC MOSFET 在電動車領域掀起討論。


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