行動與5G將驅動第三代半導體材料於功率 - 工程師

行動與5G將驅動第三代半導體材料於功率元件採用

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不論電動交通、可再生能源和其他科技創新（例如物聯網、5G、智慧製造和機器人）都需要可靠性，效率和緊湊的電源系統，從而推動了碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）的採用，以支持在小型裝置能獲得更低電壓。但是晶片設計人員必須克服將兩種半導體材料整合到電源系統中的技術和經濟挑戰。

矽功率電子元件已達到極限的高頻和高功率應用（例如：數據中心和可再生能源的變頻器），如果沒有新材料，未來電動化時代，將使得現今的電力系統無法負荷，所以有效的降低功耗，對於總體電力的消耗效率至關重要。簡單來說，傳統的矽功率元件不再適用產業趨勢，基於寬能隙半導體材料（例如SiC和GaN）的新架構更具優勢。

SiC的材料特性可以使材料更薄、功耗更低、熱性能更好，從而解決了功率轉換效率以及外形尺寸方面的挑戰。 GaN則是用在高電子遷移率電晶體（HEMT）中，可用於高頻應用。

不過，如何降低成本，將成為其未來到底何時能夠扮演關鍵性角色的重點因素。對於SiC，如何降低基板成本是關鍵，目前可以透過一種晶圓鍵合降低成本的方法。對於GaN，外延技術（在襯底上生長或沉積單晶膜的方法）是關鍵參數。當然，良率對成本效益也有很大的影響，這意味著良好的過程控制（包括計量）非常重要。

在看好寬能隙半導體材料的未來之下，所有大型功率器件製造商都已經收購或開發了SiC和/或GaN功率器件技術，因此，在功率器件市場，寬能隙半導體將非常具有前景。根據預估2025年SiC功率器件用於電動車比例將達25%。其實從2018年特斯拉在其Model 3車輛中使用意法半導體（STMicroelectronics）的SiC MOSFET功率器件，就可看見這一趨勢。

現在也愈來愈多廠商在生產端增加量產，例如：Rohm於2021年1月宣布將在日本築後市的Apollo工廠興建新SiC功率器件生，預計於2022年開始進入量產。

不過，許多研究機構或廠商正在探索用於功率器件的新材料，例如：金剛石和氧化鎵。對於SiC來說，其趨勢正在朝8英吋基板發展，這是意法半導體在歐盟資助的REACTION專案下，將成為發展重點。畢竟，成本降低和基板可用性對於SiC的市場規模扮演重要角色。所有主要的功率器件製造商都簽訂了確保SiC基板供應鏈的合約，因為此時材料的可用性是主要的不確定因素。

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