化合物半導體材料市場與應用導論

 

刊登日期:2024/8/5
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許芳慈 / 工研院材化所
 
目前半導體市場仍以矽為主,但由於矽在材料特性上的物理限制,使半導體技術面臨發展極限。隨著5G/6G通訊、電動車和再生能源等新興領域的快速發展,推動了化合物半導體材料的研究與開發,其具有優異的物理和電學特性,市場應用持續擴張,在功率電子、高頻通訊、光電元件和極端環境等領域之應用極具潛力。本文將綜整分析全球化合物半導體市場概況,並聚焦於碳化矽(SiC)、氮化鋁(AlN)、氮化矽(Si3N4)、氧化鎵(Ga2O3)和鑽石功率半導體的市場現狀、應用領域與發展趨勢。
 
【內文精選】
前 言
化合物半導體(Compound Semiconductor)材料是由元素週期表中兩種或多種不同族的元素所組成的半導體材料,例如,元素週期表中第Ⅲ族的一種元素和第Ⅴ族的一種元素組成之材料稱為化合物Ⅲ-Ⅴ半導體,如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)和氮化鋁(AlN)等。化合物半導體具有許多優於矽材料的特性,如更高的電子遷移率、更寬的能隙和更好的熱導率等,使其能於較低電壓下進行高速運作,在高功率電子元件、高頻電子元件、光電元件和高溫結構材料等應用中極具優勢,被廣泛應用於照明、消費性電子或裝置、商業用途、車用電子、能源、電信、數據通訊、軍事、國防和航空航太等領域。
 
碳化矽
碳化矽(SiC)是由矽和碳元素組成的化合物半導體材料,具有寬能隙、高崩潰電場、高熱傳導率、高飽和電子速率、高電子移動率和大臨界電場等優點,可以在更高的電流密度與溫度下運作。與矽基元件相比,碳化矽元件的能隙為矽基元件的3倍,崩潰電場強度為矽基元件的10倍,熱導率為矽基元件的約2~3倍,因此可以降低裝置的複雜性與成本,並提高可靠度,適用於不同的高壓應用,例如:太陽能逆頻器、電源供應器和風力渦輪機等。
 
1. 市場分析
電動車與電力電子領域,包含電源供應器、太陽能光電變頻器及功率逆變器等,皆為碳化矽化合物半導體材料的主要應用產品。電力電子產品對於化合物半導體的需求不斷成長,且航空航太、醫療和國防等電子電力需求不斷擴增,外加中國、巴西、印度等國對於碳化矽太陽能電池的需求不斷增長,都是碳化矽功率元件市場需求快速成長的驅動力。
 
2. 應用領域
碳化矽半導體材料擁有極佳的高耐壓、高功率、高溫穩定性、高頻和優異的電氣特性等,於高功率電子電力、電動車、電動車充電樁和再生能源發電設備等應用領域具有巨大的潛力。
 
氧化鎵
氧化鎵(Ga2O3)具有多種晶相結構,常見的有α、β、γ、δ、ε五種,而其中β態的單斜晶結構相對穩定,其次則是ε和α態,具有較寬的能隙表現、較易生產的製程條件,成為繼氮化鎵、碳化矽,討論熱度最高的下世代高頻、高功率半導體材料。目前氧化鎵半導體應用以功率元件為主,鎖定快速成長的電動車市場。
 
1. 市場分析
根據Fact.MR市場研究報告,2023年全球氧化鎵市場規模約為120萬美元,預估到2033年將達到4,650萬美元,2023年至2033年CAGR可達44.1%(圖八)。電動車與再生能源持續推動高功率半導體材料發展,氧化鎵在半導體產業應用範圍持續擴大,成為促進全球市場發展的主要驅動力。
 
圖八、2023~2033年全球氧化鎵市場
圖八、2023~2033年全球氧化鎵市場
 
2. 應用領域
氧化鎵具有比矽、氮化鎵、碳化矽更大的能隙,能提供更高的能源轉換效率,降低電力損耗,提升電動車續航力,因此吸引各大車用電子大廠投入開發,除了功率半導體之外,氧化鎵也被應用於射頻與感應器等領域。
 
鑽石功率半導體
鑽石被譽為終極半導體材料,具有遠高於既有功率元件材料之耐壓(崩潰電場)、熱傳導率,與碳化矽相比,介電崩潰電場約為碳化矽的4倍,熱傳導率約為碳化矽的5倍,被視為10~20年後功率元件的理想材料之一,預計將成為次世代功率元件市場要角。
 
1. 市場分析
鑽石功率半導體(Diamond Power Semiconductor)因其極高的熱導率和崩潰電場,在電力控制之功率元件領域倍受關注,產業界紛紛展開布局,雖目前技術發展仍於基礎階段,但可望主導10年後次世代功率元件關鍵材料。根據Virtue Market Research市場研究報告顯示,2023年全球鑽石半導體基板市場規模約為1.51億美元,並預估2030年市場規模可達3.42億美元,預測2023年至2030年CAGR可達12.3%。市場成長主要源自於電動車、再生能源和工業電力控制等領域對高效能和高可靠性功率電子元件需求增加(圖九)---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖九、2024~2029年鑽石功率半導體市場分析
圖九、2024~2029年鑽石功率半導體市場分析
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期,更多資料請見下方附檔。

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