中国台湾,掌控化合物半导体半壁江山
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化合物半导体是半导体未来发展趋势,5G、人工智能(AI)的芯片均有相关应用。近年来,中国台湾扶植多项化合物半导体计划,其中在设备方面,希望2025年之前达成两大目标:一是8吋碳化硅(SiC)长晶及磊晶设备自主、8吋SiC晶圆制程关键设备与材料源自主;二是以策略联盟的方式合资设立化合物半导体公司,以求在该领域占有一席之地。
半导体为所有ICT系统应用的核心,不过台湾在化合物半导体产业发展的问题,主要为SiC晶圆皆为海外大厂掌控,因此经济部锁定6吋、8吋SiC晶圆长晶炉、氮化镓(GaN)金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)等关键缺口设备,另建立SiC晶圆国产供应能力,避免产业发展受国外晶圆供应的牵制。
根据台湾机构的分析,GaN同时具备了高频与高功率之优秀特性,在较低频之厘米波高功率(基地站)市场上已逐渐取代传统之LDMOSFET,在高频毫米波(mmWave)应用上可取代砷化镓(GaAs) 。市场趋势预测矽基氮化镓(GaN-on-Si)具备巨大之市场潜力,保守估计2030年前,GaN-on-Si市场可望超越碳化矽硅基氮化镓(GaN-on-SiC),关键在于大尺寸制程技术之成熟度。
全球化合物半导体的产值有超过5成是由台湾厂商所创造。不过,台湾在GaN、SiC半导体材料起步较晚。市场上的GaN功率元件以GaN-on-Si和GaN-on-SiC这2种晶圆进行制造,技术主要掌握在国际少数厂商手上,例如美国Wolfspeed及日本的罗姆(ROHM)。
相对于GaAs,GaN、SiC材料有更好的散热性能,可应用在基地台、电动车(EV)、低轨卫星、能源、充电站与轨道运输。国际半导体技术蓝图(ITRS) 提到,应用导向的超越莫尔定律(More than Moore)技术,要提升芯片效能、功能性与价值,化合物半导体将在此扮演非常关键的角色。
中国台湾多家晶圆代工业者早已切入化合物半导体的制造,2023年政府委托法人执行中的大型化合物研发计划也超过13件。其中以工研院执行的计划案数量最多、金额也最高,其中1项就是要发展化合物半导体材料自主技术,建构材料在地供应链,打造高值化的生态系。
至于目前科会则有「次世代化合物半导体前瞻研发计划」,主要专注于GaN、磷化铟(InP)于超高速的元件技术开发;和GaN、SiC、氧化镓(Ga2O3)及钻石等宽能隙材料的研究,并开发GaN及SiC等宽能隙元件,达成高操作电压及低导通电阻,以取代Si功率元件。
科会列出的计划目标包含:关键制程开发,例如高温离子布值、宽能隙材料蚀刻、低电阻欧姆接触等;创新场平板、super junction及edge termination的设计制作达到优化电场分布;开发高压化合物半导体大尺寸基板及磊晶技术、元件封装及热效应优化、培养相关元件设计与模型建立能力;可靠度评估分析及元件特性模型化。
研院的中国台湾半导体研究中心(TSRI)目前也开发次太赫兹(sub THz)单芯片毫米波IC的制程技术,探索磊晶、T型闸极晶体管、高散热封装及电路验证等各个面向可能的技术走向。
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