廖 昱瑄

半導體工業中大部分使用的材料為矽(silicon)。然而隨著高壓高頻的電子零件應 用領域出現，如5G新世代通訊、智慧車用、高頻率功率轉換器、綠能、航空，以及軍事科技等，矽的性能已無法應付，必須仰賴具有高能隙特性的SiC。  根據新世代半導體特性分析，SiC屬於高能隙(bandgap)材料，具有優異的崩潰電壓(breakdown field)，且本質載體濃度(intrinsic carrier concentration)遠低於矽，在高壓的操作環境下依舊保持穩定性，不易產生漏電流，相當適用於高功率轉換器(power converter)等功率元件上；此外，SiC擁有高於矽2~3倍之熱導性(thermal conductivity)，相較於矽，更能將零件所產生的熱有效地帶出系統，相當適用於承載氮化鎵(gallium nitride，GaN)，以GaN on SiC的方式作為高頻或射頻元件。 SiC儼然成為新應用的理想選擇，世界各地也積極地投入相關產業鏈中，如簡單上下游產業鏈可分為SiC晶圓、磊晶成長和功率及射頻元件，未來投入市場的廠商也在逐漸增加。

碳化矽(SiC)功率電子是加速電動車時代到來的主要動能。以SiC MOSFET取代目前的Si IGBT，不僅能使切換損失降低80%以上，大幅縮減電力移轉時的能源損耗，同時也可讓晶片模組尺寸微縮至原本的1/10，此將有助於電動車之性能提升，達到延長續航里程及縮短充電時間的功效。市調機構YoleDéveloppement預估，到2025年時，電動車與充電樁應用領域的SiC市場規模將達到17.78億美元，約佔總體SiC應用市場的70%左右。 在各國綠能減碳政策及補貼傾力推動下，全球電動車市場正在蓬勃發展。隨著近兩年各大車廠陸續推出800V高壓車型產品，快速帶動了SiC基板材料的需求爆發。根據TrendForce研究顯示，2025年全世界電動車市場對6吋SiC晶圓需求量將可達169萬片。然而，目前全球SiC晶圓總年產量僅約在40~60萬片，且主流尺寸仍是以6吋晶圓為主，遠不足產業鏈下游基板的需求數量。事實上，生產SiC基板最困難的地方在於長晶技術，現有製程不僅複雜且晶體生長緩慢，欲大量製造難度極高。市場上具有SiC晶圓量產能力的公司，仍僅少數幾家而已，其中Wolfspeed (原為Cree)為全球最主要的供應商，單就一家的出貨量即佔市場總產能約50%，其次是Rohm及II-VI，兩家合計約佔市場總數35%。由於SiC晶圓製造技術困難並且市場供應量嚴重不足，使得SiC元件成本非常昂貴，其中基板部份就已佔了晶片總成本的50%。面對全球車用SiC功率元件市場的龐大商機，近期許多知名SiC晶片製造商相繼透過收購、或與晶圓供應商策略合作等方式，藉以擴大產能來獲取穩定的晶圓供應，誰能及時掌握上游SiC基板的量產關鍵技術，就能取得未來第三類半導體霸權時代的領先地位。 閎康科技特別邀請了半導體材料領域專家 劉全璞教授撰文，全面性介紹目前SiC晶圓製造方法及其挑戰，希望能與讀者分享此一關鍵原物料的產業技術發展概況

碳化矽(SiC)技術可提供更高的效率、更小的尺寸及更低的成本，並且降低了更智慧的電源設計冷卻要求。寬能隙(WBG)半導體技術在功率電子元件中的應用越來越多。  與傳統的矽技術相比，SiC和氮化鎵(GaN)半導體材料顯現卓越的性能，使功率元件能夠在高電壓尤其是高溫和高開關頻率下工作。功率電子系統的設計人員正努力研究如何充分利用GaN和SiC元件的優勢。 矽早已是大多數電子應用中的關鍵半導體材料，但與SiC相比，則顯得效率低下。SiC現在已開始被多種應用採納，特別是電動車(EV)，以應對開發高效率和高功率元件所面臨的能源和成本挑戰。