第三代半导体为什么这样火？4 张图秒懂GaN、SiC 关键技术

来源：technews(台）  作者：林妤柔

       第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题，在5G、电动车、再生能源、工业4.0发展中扮演不可或缺的角色，即使常听到这些消息，相信许多人对它仍一知半解，那么第三代半导体到底是什么？对此，本系列专题将用最浅显易懂、最全方位的角度，带你了解这个足以影响科技产业未来的关键技术。

       第三代半导体、宽带隙是什么？

       讲到第三代半导体，首先简单介绍一下第一、二代半导体。在半导体材料领域中，第一代半导体是「硅」（Si），第二代半导体是「砷化镓」（GaAs），第三代半导体（又称「宽带隙半导体」，WBG）则是「碳化硅」（SiC）和「氮化镓」（GaN）。

宽带隙半导体中的「带隙」（Energy gap），如果用最白话的方式说明，代表着「一个能量的差距」，意即让一个半导体「从绝缘到导电所需的最低能量」。

       第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙材料，数值分别为1.12 eV(电子伏特)和1.43 eV，第三代（宽带隙）半导体的带隙，SiC和GaN分别达到3.2eV、3.4eV，因此当遇到高温、高压、高电流时，跟一、二代比起来，第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电，特性更稳定，能源转换也更好。

       一般人常有的第三代半导体迷思

        随着5G、电动车时代来临，科技产品对于高频、高速运算、高速充电的需求上升，硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限，难以提升电量和速度；一旦操作温度超过100度时，前两代产品更容易故障，因此无法应用在更严苛的环境；再加上全球开始重视碳排放问题，因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代下的新宠儿。

        第三代半导体在高频状态下仍可以维持优异的效能和稳定度，同时拥有开关速度快、尺寸小、散热迅速等特性，当芯片面积大幅减少后，有助于简化周边电路设计，进而减少模组及冷却系统的体积。

       很多人以为，第三代半导体与先进制程一样，是从第一、二代半导体的技术累积而来，其实不尽然。从图中来看，这三代半导体其实是平行状态，各自发展技术。

       ▲ 第三代半导体到了2000 年后，开始陆续推出产品

        SiC 和 GaN 各具优势、发展领域不同

       了解到前三代半导体差异后，我们接着聚焦于第三代半导体的材料——SiC和GaN，这两种材料的应用领域略有不同，目前GaN组件常用于电压900V以下之领域，例如充电器、基站、5G通讯相关等高频产品；SiC则是电压大于1200 V，比如电动车相关应用。

       SiC 是由硅（Si）与碳（C）组成，结合力强，在热量上、化学上、机械上都稳定，由于低耗损、高功率的特性，SiC 适合高压、大电流的应用场景，例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿色能源发电设备。

       另外，SiC 本身是「同质磊晶」技术，所以品质好、组件可靠度佳，这也是电动车选择使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。

       现今电动车的电池动力系统主要是200V-450V，更高端的车款将朝向800V发展，这将是SiC的主力市场。不过，SiC 晶圆制造难度高，对于长晶的源头晶种要求高，不易取得，加上长晶技术困难，因此目前仍无法顺利量产，后面会多加详述。

       ▲ SiC 和 GaN 基板应用示意图

       GaN 为横向组件，生长在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，为「异质磊晶」技术，生产出来的 GaN 薄膜品质较差，虽然目前能应用在快充等民生消费领域，但用于电动车或工业上则有些疑虑，同时也是厂商极欲突破的方向。

       GaN 应用领域则包括高压功率器件（Power）、高射频组件（RF），Power 常做为电源转换器、整流器，而平常使用的蓝牙、Wi-Fi、GPS 定位则是 RF 射频元件的应用范围之一。

       若以基板技术来看，GaN 基板生产成本较高，因此GaN 组件皆以硅为基板，目前市场上的GaN功率元件以GaN-on-Si（硅基氮化镓）以及GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）两种晶圆进行制造。

       一般常听到的GaN制程技术应用，例如上述的GaN RF射频器件及PowerGaN，都来自GaN-on-Si的基板技术；至于GaN-on-SiC基板技术，由于碳化硅基板（SiC）制造困难，技术主要掌握在国际少数厂商手上，例如美国科锐（Cree）、II-VI及罗姆半导体（ROHM）。

       ▲ 射频组件、Power GaN 都来自 GaN-on-Si 技术

        磊晶技术困难、关键SiC基板由国际大厂主导

        第三代半导体（包括SiC基板）产业链依序为基板、磊晶、设计、制造、封装，不论在材料、IC设计及制造技术上，仍由国际IDM厂主导，代工生存空间小，目前台湾地区的供货商主要集中在上游材料（基板、磊晶）与晶圆代工。

       ▲ 第三代半导体的晶圆制程

        从技术层面来看，GaN-on-Si和GaN-on-SiC有不同问题待解决，除了制程困难、成本高昂外，光是材料端的基板、磊晶技术难度就高，因此未能放量生产。GaN-on-Si制程要将氮化镓磊晶长在硅基材上，有晶格不匹配的问题须克服。

至于GaN-on-SiC的关键材料SiC基板，制程更是繁杂、困难，过程需要长晶、切割、研磨。生产SiC的单晶晶棒比Si晶棒困难，时间也更久，Si长晶约3天就能制出高度200公分的晶棒，但SiC需要7天才能长出2到5公分的晶球，加上SiC材质硬又脆，切割、研磨难度更高。

       目前SiC基板主要由Cree、II-VI、英飞凌（Infineon）、意法半导体（STM）、ROHM、三菱电机（Mitsubishi）、富士电机（Fuji Electric）等国际大厂主导，以6吋或8寸晶圆为主；台厂则以4寸为主，6吋晶圆技术尚未规模化生产。

       许多国家将SiC材料视为战略性资源，代工厂要取得相对困难，原料价格也高；相较于SiC、GaN-on-Si可用于车用市场和快充，GaN-on-SiC应用方向不够明确，因此全力投入开发仍需要一段时间。

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