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功率半导体厂商应抓住的新材料崛起契机

2019-11-08
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来源:内容来自「工商时报」,谢谢。


随着资讯化时代的来临,不断加深影响现代社会的发展及演进,让生活更为便捷。其中,从物联网、自驾车、机器人、人工智慧、智慧医疗等领域,到未来在高频通讯、能源管理、高速运算等方面的实现,甚至是利用更多电子资讯的革新技术,来开发各种服务人类的功能,都离不开半导体的应用与结合。因此,半导体技术的突破成长,将是未来科技发展的关键


根据工研院IEK Consulting估计,2025年全球半导体元件的市场规模将达1,200亿美元,主要应用项目如光学元件、行动通讯、基地台、伺服器用的CPU和GPU等。更值得关注的是,为因应未来持续开发或改善的电子产品,需要更好的半导体元件来满足其需求,其中半导体元件中所采用的新兴材料,更是提升元件及产品性能的核心要素。


目前主流半导体材料仍为以硅(Si)为基材的硅基半导体,面对电路微型化的趋势,其不论是在制程或功能的匹配性上已届临极限,愈来愈难符合芯片尺寸缩减、电路功能复杂、散热效率高等多元的性能要求;加上未来更多高频率、高功率等相关电子应用,以及需要更省电、更低运行成本、并能整合更多功能性的半导体元件。硅基半导体受限于硅的物理性质,而有不易突破的瓶颈。因此,目前欧、美、日等许多半导体厂都竞相投入开发化合物半导体(Compound Semiconductor)的材料、制程及应用,着眼于透过性能更优异的新材料,解决原先硅基半导体在高频、高功率等使用上不及的问题。


当前功率半导体的潜力材料,如氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC),这类属于能隙(Energy band gap)高于3.0的「宽能隙」材料,不仅耐电场的能力较好,应用于高压元件时不易被电场击溃,且导电性及散热性佳,可降低能量耗损,并在介电常数较低之下,还可减少寄生电容,降低讯号延迟与耗电。因此,这些宽能隙的半导体材料更适合应用在功率元件(Power Device)上,利用其更高效率、高传导且耐热等优点,满足民生、工业、交通等方面的应用需求,克服更严苛的使用环境。根据市调与策略顾问公司Yole Developpement的研究显示,功率元件的全球产值将自2017年的104亿美元,成长至2023年的132亿美元,包括电动车、工业、消费性电子、运算及储存等,都是主要的应用方向,也显现不仅功率元件的市场将持续上升,宽能隙材料的需求也会连带增加。


宽能隙材料在性能上具备更多优势,相对也会影响半导体晶圆市场的发展。日本市调研究机构富士总研预估,2025年全球半导体晶圆产值将可突破174亿美元;其中采用氮化镓、碳化硅与氧化镓(Ga2O3)等三种材料的宽能隙晶圆,估计自2017至2025年间将分别以年复合成长率约21%至77%不等的速度成长,部分原有的硅晶圆应用有机会被取代。如90奈米以上的硅晶圆,现由6吋及8吋厂供应,提供物联网、车用、射频、及较高功率元件的应用,是宽能隙半导体晶圆有机会切入的利基市场。


以6至8吋晶圆为宽能隙半导体的目标市场,是因目前宽能隙材料的供应和制程使用仅在6吋晶圆以下(含6吋)较为稳定,也是国际半导体厂投入的阶段。加上化合物半导体实际的发展应用,除了电路设计有别于硅基半导体,仍需要更多研究测试与验证,同时在制程上能因应宽能隙材料的设备供应及制造方法也有待加强,相关专业技术人员及经验不足,均导致生产良率不高等问题,因此现今宽能隙半导体的生产成本相当高,以相同6吋晶圆相比较,初期的价格可比硅晶圆高出近百倍。因此,目前尚待开发的8吋宽能隙半导体晶圆,这是半导体产业的未来机会。


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