先探／宽能隙半导体元件慢火加温

云端运算、５Ｇ及电动车快速发展，耐高温、高压的宽能隙半导体元件逐步在半导体市场占有一席之地，一场电力电子产品的开发革命正全面展开。

【文／林丽雪】

二○一九年的科技产业没有太多的亮点，但因应５Ｇ及电动车等行业需要更耐高温、高压及高功率的元件，宽能隙（Wide Band-gap，WBG）材料的应用被寄予厚望，然而，过去这类材料受限于晶圆制造单价高昂且为欧美已开发国家战略管制品，一直无法大量转换成市场规模，但随着愈来愈多厂商加速投入，生产技术及成本将逐步降低，可预见的未来，宽能隙元件在半导体市场势必占有一席之地，国内的相关供应链也值得长期深入探索。

宽能隙指的是包括由碳化矽（SiC）或氮化镓（GaN）两种材料产生的半导体元件，相较于已发展逾五○年的矽（Si）材料半导体元件，碳化矽（SiC）及氮化镓（GaN），由于能隙宽（能隙的大小关系半导体元件的导电性）、电子饱和速率高等特点，由SiC基底发展出来的半导体元件，除了有耐高温、高压等特性外，还具有电阻小、电流大与低耗电等特性。

耐高温、高压是主要特性

高电压就意谓着更低的电流，系统使用的铜金属总量会减少，直接影响的就是系统成本的降低；再者，高电压促成产生的电阻损耗较少，可达到更好的效率，也能做到极小的开关损耗，对于需要高切换频率应用的产品来说，能提高功率密度，进而减少电容、电感的使用，甚至机器元件尺寸与重量都可因此缩减。

此外，因碳化矽（SiC）材料的宽能隙特性，能实现阻断电压在六○○Ｖ以上到数千Ｖ之间的低损耗、且能够应用在高温或辐射等极端环境下，由此材料产生的功率元件，可达到传统矽（Si）功率元件无法实现的低电力转换损失，并可广泛应用在ＬＥＤ照明、电动车、智慧电网、工业等需要电源转换效率的节能产品上。

特别是电动车和未来将积极发展的自动驾驶，宽能隙元件将主导电动车的关键应用，包括充电基础设施、车载充电器、牵引逆变器和车载DC-DC转换器等，据研究，牵引逆变器是可以从GaN和SiC技术中受益最多的，因为使用GaN和SiC元件后，可以减轻汽车的重量，提高能效，并让电动车能够行驶更远距离，同时可以使用更小的电池和冷却系统。而电源转换器方面，则有SiC萧特基二极体、SiC MOSFET及GaN-on-SiC等功率元件将应运而生。

既然以碳化矽为基材的元件性能优势如此显著，何以始终无法放量？这和碳化矽晶圆制造及产能良率仍低、生产成本仍过高有很大的关系。

短期受限晶圆品质不稳定

由于碳化矽材料的硬度极高，仅次于全世界硬度最高的金刚石，因此，碳化矽半导体制程必须在高温与高压的条件下才能生产，一般而言，矽晶的生长环境在一五○○度Ｃ左右即可完成，碳化矽则需要在二千度以上的高温下生产，这让碳化矽从最上游的长晶就面临更高的生产难度。

业者分析，包括矽晶棒与ＬＥＤ基板用的蓝宝石，都使用液相拉晶法，但碳化矽目前已在使用的长晶技术则包含有高温化学气象沉积法（HTCVD，也是目前良率最高的生产法）与高温升华法（HTCVT）两种，不管是哪一种，工作温度都需要二六○○度以上，而不同于矽晶棒与蓝宝石在长晶过程中，都可随时观察晶体的生长状况，SiC长晶的困难点除了在石墨坩锅无法即时观察晶体生产状况外，要生长出大尺寸、无缺陷、全区皆为同一晶态，则需要非常精确的热场控制及材料配合才行，长晶的技术门槛相较于传统的矽及蓝宝石来得高许多。（全文未完）

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