【產業動態SNG】半導體材料引領全新革命——氮化鎵與碳化矽之市場發展趨勢剖析
鄧祥寧．林若蓁．張國仁．許智超 (2021/06/09) 《台經月刊第44卷第6期》
台灣半導體產業在國際供應鏈上扮演極其重要角色，尤以晶圓製造代工傲視全球，過去半導體產業大都以「矽」(Si)作為晶片主要製造材料，矽基底製作之元件現仍為市場大宗，現隨著5G、AIoT、智慧電網、電動載具的應用發展需求，惟其物理性能限制已無法因應不斷日新月異之電子產品高效性能，故發展新興化合物半導體以應用於不同領域之電子電力產品應用，如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)，可應用於手機及基地台功率放大器、雷射、光纖傳輸等。爾後更進一步發展第三代半導體―氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)材料，於通訊功率放大器、車用二極體、大型風力發電系統、太陽能板逆變器等。又，新世代半導體之發展領域與我國現積極發展之六大核心戰略產業，如資訊及數位產業、國防及戰略產業或綠能及再生能源產業等息息相關，如能掌握關鍵技術、帶動產業，將可掌握進入全球供應鏈之先機。本文簡述寬能隙半導體材料氮化鎵與碳化矽基本特性及應用範圍，並解析國內外市場應用現況、發展趨勢與未來展望。
寬能隙半導體之材料特性及應用範圍
近年來，世界各國於新能源、智慧電網、5G通訊等政策推動下，擴大全球對於高功率模組的需求，功率模組為可操作在高溫、高電壓與高頻率下的電子元件模組。由於傳統以矽材料製作的功率元件已接近其物理性能極限，在高電壓時，其耐受性差、轉換效率不佳，且有散熱的問題，因此，比矽的能隙(Energy Gap)更寬的寬能隙材料(Wide Band Gap)，如氮化鎵、碳化矽等材料興起，其具備耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性，適合用作不同領域的元件材料，可廣泛應用於高功率、高頻和高溫電力電子系統。
寬能隙半導體可依據特性應用於專長領域（圖1），於高功率元件部分，應用於電網電力傳輸系統中的電子元件，因常操作於高電壓與電流環境下，需可耐大電流與電壓。高功率元件也因其具有低導通損及低切換損特性，適合用於各種能源傳輸、太陽能轉換系統等。針對電動車輛部分，由於車輛中動力控制單元(Power Control Unit, PCU)需在高溫環境下操作，傳統的矽基半導體元件只能耐熱至200℃，需額外增加散熱裝置，且不良的導熱易導致電力轉換效率低，而高功率元件具備高導熱特性，在400℃以上的高溫下仍可正常運作，適合應用在高溫操作的領域。於高頻元件部分，由於GaN的高電子飽和速度特性，使其有更快作業頻率，高頻切換的特性亦可簡化與縮小周邊零組件尺寸，有助於整個功率模組的小型化，更符合現代科技發展需求。GaN高頻元件可依照其材料基底不同，區分為成本導向及表現性能導向之不同範疇，其中GaN-on-Silicon適合用於成本導向、需求量大之元件生產，例如手機放大器、小型基地台等消費性商品，而GaN-on-SiC則係適合用於國防產業等需求量少、成本高之高頻元件產品。
圖1 寬能隙半導體材料特性與應用
若以功率範圍來區分高功率元件之應用（圖2），可大致分為消費性電子產品（約為500~1,500W）、汽車工業(30~350kW)，以及能源產業(5kW~1MW)。其中SiC主要往中高伏特(>600V)之高功率元件應用發展，GaN則以中低伏特(<900V)應用為主，兩者在600~900V間有互相競爭關係。SiC二極體(Diodes)已發展多年，其技術已進入成熟階段，因此GaN二極體預期將難以跨足此領域。在電晶體(Transistor)中，GaN發展低伏特之應用產品則優於SiC，商用SiC產品則以發展高伏特領域商品為主。應用產品如車用充電器、車用低電壓轉高電壓之直流變壓器將是GaN與SiC未來主要競爭戰場。但真實市場競爭下，GaN及SiC仍遭遇現有Si技術之低價競爭。
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