專家傳真-新興半導體材料崛起 台灣應搶攻功率半導體市場

鄭華琦工研院產業科技國際策略發展所總監

工商時報【鄭華琦工研院產業科技國際策略發展所總監】

隨著資訊化時代的來臨,不斷加深影響現代社會的發展及演進,讓生活更為便捷。其中,從物聯網、自駕車、機器人、人工智慧、智慧醫療等領域,到未來在高頻通訊、能源管理、高速運算等方面的實現,甚至是利用更多電子資訊的革新技術,來開發各種服務人類的功能,都離不開半導體的應用與結合。因此,半導體技術的突破成長,將是未來科技發展的關鍵。

根據工研院IEK Consulting估計,2025年全球半導體元件的市場規模將達1,200億美元,主要應用項目如光學元件、行動通訊、基地台、伺服器用的CPU和GPU等。更值得關注的是,為因應未來持續開發或改善的電子產品,需要更好的半導體元件來滿足其需求,其中半導體元件中所採用的新興材料,更是提升元件及產品性能的核心要素。

目前主流半導體材料仍為以矽(Si)為基材的矽基半導體,面對電路微型化的趨勢,其不論是在製程或功能的匹配性上已屆臨極限,愈來愈難符合晶片尺寸縮減、電路功能複雜、散熱效率高等多元的性能要求;加上未來更多高頻率、高功率等相關電子應用,以及需要更省電、更低運行成本、並能整合更多功能性的半導體元件。矽基半導體受限於矽的物理性質,而有不易突破的瓶頸。因此,目前歐、美、日等許多半導體廠都競相投入開發化合物半導體(Compound Semiconductor)的材料、製程及應用,著眼於透過性能更優異的新材料,解決原先矽基半導體在高頻、高功率等使用上不及的問題。

當前功率半導體的潛力材料,如氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC),這類屬於能隙(Energy band gap)高於3.0的「寬能隙」材料,不僅耐電場的能力較好,應用於高壓元件時不易被電場擊潰,且導電性及散熱性佳,可降低能量耗損,並在介電常數較低之下,還可減少寄生電容,降低訊號延遲與耗電。因此,這些寬能隙的半導體材料更適合應用在功率元件(Power Device)上,利用其更高效率、高傳導且耐熱等優點,滿足民生、工業、交通等方面的應用需求,克服更嚴苛的使用環境。根據市調與策略顧問公司Yole Developpement的研究顯示,功率元件的全球產值將自2017年的104億美元,成長至2023年的132億美元,包括電動車、工業、消費性電子、運算及儲存等,都是主要的應用方向,也顯現不僅功率元件的市場將持續上升,寬能隙材料的需求也會連帶增加。

寬能隙材料在性能上具備更多優勢,相對也會影響半導體晶圓市場的發展。日本市調研究機構富士總研預估,2025年全球半導體晶圓產值將可突破174億美元;其中採用氮化鎵、碳化矽與氧化鎵(Ga2O3)等三種材料的寬能隙晶圓,估計自2017至2025年間將分別以年複合成長率約21%至77%不等的速度成長,部分原有的矽晶圓應用有機會被取代。如90奈米以上的矽晶圓,現由6吋及8吋廠供應,提供物聯網、車用、射頻、及較高功率元件的應用,是寬能隙半導體晶圓有機會切入的利基市場。

以6至8吋晶圓為寬能隙半導體的目標市場,是因目前寬能隙材料的供應和製程使用僅在6吋晶圓以下(含6吋)較為穩定,也是國際半導體廠投入的階段。加上化合物半導體實際的發展應用,除了電路設計有別於矽基半導體,仍需要更多研究測試與驗證,同時在製程上能因應寬能隙材料的設備供應及製造方法也有待加強,相關專業技術人員及經驗不足,均導致生產良率不高等問題,因此現今寬能隙半導體的生產成本相當高,以相同6吋晶圓相比較,初期的價格可比矽晶圓高出近百倍。因此,目前尚待開發的8吋寬能隙半導體晶圓,更是台灣半導體產業的未來機會。

台灣半導體產業歷經數十年發展,累積無數經驗、技術和產品,應用端的產業鏈也相當完整,功率電子的產業鏈,從材料、元件、模組、到系統與整機,也已有廠商投入,有助於搶攻功率半導體的市場。面對國際廠商的競爭,台灣仍缺少在寬能隙半導體的材料研發、元件及模組的設計等方面的經驗和能量;但相對在市場上、尤其是高階應用市場,目前仍處萌芽期、競爭者少,台灣半導體產業若能掌握功率半導體的成長需求,結合產業鏈的整合優勢,方能進一步在半導體產業的未來取得先機。

你可能還想看