半絕緣碳化矽晶圓發展現況：材料世界網

高頻用寬能隙半絕緣碳化矽晶圓具備高功率、耐高壓、耐高溫等特性，隨著毫米波通訊及5G相關產業起飛，受到世界各國政府與產業界的廣泛關注和高度重視，成為增長潛力巨大的戰略性產業。高頻/高功率放大器元件需具備SiC、GaN等寬能隙材料技術，將帶動另一波產業成長動能。其中半絕緣性SiC晶圓單價高昂且為戰略管制品，為各國亟需開發之關鍵基板材料。

本文將從以下大綱，針對半絕緣碳化矽晶圓之市場、應用、技術困難點及國內之產業現況提供一完整之報告。
‧半絕緣SiC晶圓技術簡介
　1. SiC昇華生長現有技術
　2. SiC的電性應用及機制
　3. 技術困難點
‧國內市場需求及概況
‧國際發展趨勢
‧國內技術及發展現況

【內文精選】
半絕緣碳化矽(Semi-insulating Silicon Carbide; SI.-SiC)晶圓為發展新世代毫米波通訊技術中功率放大器(Power Amplifier; PA)關鍵基板材料，是目前最快可達到產品化之晶圓材料。過去毫米波功率放大器元件較多是基於GaAs等生產，雖已具備基礎，但效率偏低(<3%)。而近年隨著寬能隙元件逐漸降低成本及突破量產瓶頸，非寬能隙元件技術逐漸有被GaN/SiC技術取代的趨勢。未來毫米波在新一代5G通信、汽車和飛機的自動駕駛、雷達、遙感、航太通信、軍事等領域都將是不可或缺的。

半絕緣SiC晶圓技術簡介
1. SiC昇華生長現有技術
一般被稱為物理氣相傳輸(Physical Vapor Transportation; PVT)的昇華技術，已被廣泛地用於商業規模的SiC單晶之生長。不同於矽晶棒與藍寶石使用液相拉晶法在長晶過程中可隨時觀察晶體成長狀況，SiC氣相傳輸法是在高溫低壓及保護氣氛下於石墨坩堝中，將SiC料源昇華後一層一層如磊晶般，將碳矽原子堆疊於單晶晶種上，經過長達5~7天的時間，完成一SiC單晶晶球之生長，如圖二所示。

圖二、以物理氣相傳輸法成長SiC晶體示意圖

典型的SiC昇華生長溫度在2,000˚C至2,400˚C之間。在這些溫度下，SiC原料昇華成Si₂C、SiC₂和Si揮發性分子等蒸氣，填充於坩堝中。在生長過程中，SiC料源的溫度比SiC晶種高，保持約10˚C~200˚C的溫梯；這迫使SiC蒸氣遷移並沉積在SiC晶種，使SiC單晶生長於SiC晶種上。

3. 技術困難點
SiC長晶的困難點除了在石墨坩堝的黑盒子中無法即時觀察晶體生長狀況外，也因SiC具有200多種生成能皆很相近的晶態(Polytype)，要在如此嚴苛的條件下生長出大尺寸、無缺陷、全區皆為同一晶態4H（目前元件基板主流），則需要非常精確的熱場控制、材料匹配及經驗累積。技術門檻相較於液相長晶法為高。（想要了解此技術更多的困難點嗎？請登入會員下載下方附檔）

國內市場需求及概況
我國為III-V族半導體國際生產重鎮，包括目前市場主流的GaAs以及重要性與日俱增的InP，國內在磊晶與元件製造上在全球具舉足輕重地位，包括穩懋、宏捷、全新等業者均為國際級領導廠商。隨著5G市場逐漸來臨，預期業者也將受惠於PA市場成長帶來的商機，然而卻僅限於高頻/低功率元件。對於高頻/高功率元件，GaAs與InP等半導體無法符合性能需求，材料上需導入SiC與GaN等寬能隙晶體作為基板。

拓墣產業研究院指出，觀察供應鏈的發展，由於5G通訊及汽車科技正處於產業成長趨勢的重心，供應鏈已發展出晶圓代工模式，提供SiC及GaN的代工業務服務，改變過去僅由Cree、Infineon、Qorvo等整合元件大廠供應的狀況。GaN的部分，有台積電及世界先進提供GaN-on-Si的代工業務，穩懋則專攻GaN-on-SiC領域瞄準5G基地台的商機。隨著代工業務的帶動，第三代半導體材料的市場規模也將進一步擴大。

國內技術及發展現況
有鑑於SiC單晶晶圓為高技術門檻、高研發成本及高研發風險，全球各國皆以政府之研發力量專注扶植一研發機構投入SiC單晶技術開發，待技術成熟後再由法人技轉給國內業者廠商。中科院在經濟部技術處科專計畫的支持下，自民國100年開始投入SiC長晶技術開發，至民國106年已將SiC晶體尺寸由2吋逐步擴展至6吋晶體，同時也提升晶體品質至4H均質區>95%，而SiC元件殺手—晶體主要缺陷之微管密度(Micro-pipe Density; MPD)也由Dummy等級之MPD >100 cm^-2降至元件等級MPD <5 cm^-2。

圖六為中科院自製4吋4H半絕緣SiC晶圓與商購B廠SI.-SiC及C廠N-type SiC晶圓之X光拓樸儀(XRT)晶體檢測圖比較。X光拓樸儀可將肉眼無法辨識之晶體缺陷藉由X光於晶體內繞射後之強弱進行成像，因此單晶晶體之缺陷如微管、差排環、小角度晶界等，皆可由XRT判別並計算其密度。目前4吋半絕緣SiC晶圓之電阻率已可達到>1E5 Ω·cm之商規要求，並由中科院自有的高頻/高功率元件驗證鏈進行晶圓磊晶及元件驗證...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。