碳化矽晶體材料技術發展

 

刊登日期:2022/1/10
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黃崇傑/工研院綠能所
 
隨著5G、電動車、高速運算時代來臨,科技產品對於高頻、高速充電與電力應用的需求快速上升,以矽材料為主的功率元件已經沒有辦法滿足這樣的需求;碳化矽(SiC)有較高的能隙,因此SiC元件遇到高溫、高壓、高電流時,比起Si或GaAs元件特性更穩定,能源轉換也更好,是可預期的明日之星。所以近期SiC產業正在快速發展。然而,整個SiC產業仍有許多問題需要改進,特別是在晶體生長方面。這是因為晶圓在SiC元件中佔據~50% 的成本,且其晶體質量直接影響組件製造的良率。本文將對SiC產業現況及長晶技術的發展做簡要的介紹。
 
一、前言
碳化矽為矽與碳相鍵結而成的化合物,事實上這個材料很早以前就被合成出來,最有名的就是艾奇遜(E.G. Acheson)於1893年,研究出來的合成碳化矽的技術,這技術所用的裝置就是大家常說的艾奇遜爐,此技術一直沿用至今。艾奇遜爐是以石墨材料為爐心的電阻爐,通電加熱爐心,周圍的石英和碳會產生化學反應生成碳化矽,合成的碳化矽會因距離石墨電阻加熱源遠近的不同在純度上有一定的差別,最靠近電阻加熱源的地方產生的無色、淡黃色或綠色的碳化矽材料,這種方式作成的碳化矽材料純度雖不夠高(95%~99%),但因為硬度高(可達9~9.5),又耐高溫,所以早就被工業界採用,用於研磨材料、汽車剎車片、加熱器和需要高溫用的耐火材等用途。
 
相較於鑽石,天然生成的碳化矽在地球上極為罕見,只在一些隕石和超基性岩(Ultrabasicrock)中發現過,這天然的材料最早由法國化學家亨利·莫桑(Henri Moissan) 於20世纪初,在巴林傑隕石坑(Barringer Crater)中的一塊隕石碎片中發現。他對碎片研究後,發現了一種在自然界沒見過的礦物”碳化矽”,也檢測到異常的碳矽同位素比,顯示這些天然碳化矽幾乎全部來自於太陽系以外的星系;1905年國際上為了紀念亨利莫桑的貢獻,把該礦物命名為莫桑石。
 
在往後的一段時間,經過許多科學家的努力,嘗試用不同的方法來製作碳化矽單晶,一直到1995年美國公司Cree Inc.,發現了可以成功製作較大尺寸且高品質莫桑石(碳化矽晶體)的技術,同年Cree的一位負責人成立了C3公司,希望將比鑽石更便宜、光彩性更好(SiC折射率較高)的莫桑石帶給消費者,因此逐漸開啟了SiC長晶技術的大門。近年來又由於功率元件及5G產品的需求,使碳化矽晶體變得更加重要,已經是許多國際半導體大廠布局的重點。
 
二、SiC產業現況
碳化矽因其優越的物理性能寬能隙(High Bandgap) 、高電載子移動率(High Carrier Mobility)、高熱導率(High Thermal Conductivity),使用它做成的元件有更優越的工作溫度、電壓、頻率、功率範圍及低的能量消耗等特性;再加上近幾年全球氣候異常、環保意識抬頭,各國政府努力降低碳排放,發展太陽能、風能、電動車等議題,都需要應用到高功率元件,因而碳化矽被預期是未來半導體材料的新寵。碳化矽元件應用的領域主要是高頻、高功率的電子市場,包括:5G通訊站、電力站、軌道交通、太陽能電力轉換、電動汽車等。根據 IHS Markit 資料(如圖一所示),2019 年碳化矽功率元件市場規模約6.1億美元,2025年碳化矽功率元件的市場規模將達到30億美元,年均複合速率達到30.4%。
     
圖一、全球SiC市場的現況及預測
圖一、全球SiC市場的現況及預測
 
由於SiC產業有很大的商機,國內外許多公司都積極的布局中,除了擴大產能之外,也積極做產業結盟或合作(如圖二所示)。例如,2018 年,日本羅姆半導體宣布,在 2024 年之前將增加碳化矽產能 16 倍。法國雷諾汽車也宣布,和意法半導體結盟,所需的碳化矽晶片由意法半導體獨家供應。2019 年,德國福斯集團跟美國 Cree 合作,由 Cree 獨家和福斯合作發展碳化矽技術,同年 Cree 也宣布投資 10 億美元,興建巨型碳化矽工廠,希望維持目前在SiC晶圓市場的領先優勢。2021年5月 英飛凌科技宣布,已與日本晶圓製造商昭和電工簽訂供應契約,供應包括磊晶在內的各種碳化矽材料(SiC)。韓國SK Siltron 2020年 2 月以 4.5 億美元,從美國杜邦手中收購了 SiC 晶圓業務。2021年7月宣布預計將---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、 SiC產業鏈的國內、外主要廠商布局狀況
圖二、 SiC產業鏈的國內、外主要廠商布局狀況

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