〈觀察〉既有廠商擴產、新進者積極切入 碳化矽晶圓擁何種魅力？

隨著 5G、電動車等新應用興起，萬物聯網時代來臨，對功率半導體需求增溫，碳化矽 (SiC)、氮化鎵 (GaN) 等化合物半導體材料躍升成市場焦點；從最上游的半導體晶圓來看，碳化矽晶圓是勢頭正熱的新材料，不過，究竟是什麼原因，讓既有廠商與新進者，爭相擴產或佈局？

從化合物半導體優勢說起

半導體材料歷經 3 個發展階段，第一代是矽 (Si)、鍺 (Ge) 等基礎功能材料；第二代開始進入由 2 種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化矽 (SiC) 等寬頻化合物半導體材料。

目前全球 95% 以上的半導體元件，都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體，不過，隨著電動車、5G 等新應用，對電路高頻率、高功率元件需求成長，矽基半導體因受限矽材料的物理性質，在性能上有不易突破的瓶頸，也讓廠商開始著眼性能更優異的新材料，爭相投入化合物半導體領域。

近來再度成為市場焦點的，便是第三代半導體材料氮化鎵與碳化矽，其屬於寬能帶隙材料，具有高頻、耐高電壓、耐高溫等優勢，且導電性、散熱性佳，可降低能量耗損，元件體積相對較小，適合功率半導體應用。

由於在高電壓功率元件應用上，矽基元件因導通電阻過大，往往造成電能大量損耗，但矽材料遭遇瓶頸之下，氮化鎵、碳化矽導通電阻遠小於矽基材料，導通損失、切換損失降低，取而代之的是更高的能源轉換效率，挾著高頻、高壓等優勢，氮化鎵、碳化矽崛起成為 5G 時代的半導體材料明日之星。

氮化鎵主要應用於 600 至 1000 伏特的電壓區間，具備低導通電阻、高頻率等優勢，且對電磁輻射敏感度較低，可在高溫、高電壓環境下運作，為理想的微波頻率功率放大元件，應用包括變頻器、變壓器與無線充電。

氮化鎵為基地台、雷達與航空電子等無線通訊設備放大器首選，而未來 5G 基地台供電模組、電動車車載充電等領域，也將持續推升需求。雖然目前氮化鎵在射頻領域應用比重，仍高於電源領域，但包括電競電腦、資料中心伺服器等應用，已有部分氮化鎵功率元件開始導入，以提供更佳的電源轉換效率。

碳化矽材料也同樣具備低導通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優勢，可應用於 1200 伏特以上的高壓環境，相較於氮化鎵，碳化矽具備更高效率，應用層面廣泛，如風電、鐵路等大型交通工具、太陽能逆變器、不斷電系統、智慧電網、電源供應器等高功率應用領域。

碳化矽擁優勢 可望成為電動車零組件材料新寵兒

近來隨著電動車與混合動力車發展，碳化矽材料快速在新能源車領域崛起，主要應用包括車載充電器、降壓轉換器與逆變器。特斯拉 (Tesla) 已在旗下 Model 3 電動車的逆變器中，率先採用 SiC MOSFET 元件，降低傳導與開關損耗，進而提升 Model 3 行駛距離，也讓 SiC MOSFET 在電動車領域掀起討論。

然而，SiC MOSFET 性能與散熱表現雖然較佳，但受限成本過高，加上碳化矽晶圓生產技術複雜，良率表現不如矽晶圓，也使碳化矽目前在電動車領域滲透率仍不高。

不過，全球最大汽車零組件供應商 Delphi 今年 9 月發表最新使用碳化矽模組的 800 伏特逆變器，可延長電動車行駛距離、縮短電動車充電時間，也成功取得主要客戶為期 8 年的訂單合約，預計 2022 年起供貨客戶使用 800 伏特的高階車款。在全球最大汽車零組件大廠也投入碳化矽技術之下，也為未來碳化矽在車用市場的發展潛力，增添更多想像空間。

既有廠商大舉擴產 新進者積極切入

目前全球生產碳化矽晶圓的廠商，包括 CREE、羅姆半導體旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日鐵住金及道康寧 (Dow Corning)，其中，CREE 市占率高達 6 成之多，幾乎獨霸市場，且 CREE 今年 5 月更宣布，看好 5G 與電動車後市需求，將在未來 5 年內，斥資 10 億美元擴產。

著眼碳化矽在電動車、電力電子領域的優勢，國內矽晶圓大廠、同時也是全球第三大矽晶圓供應商環球晶 (6488-TW)，也積極跨入碳化矽晶圓領域，目前已有產品小量出貨，且環球晶今年 8 月更宣布與 GTAT 簽訂碳化矽晶球長約，確保取得長期穩定、且符合市場需求的碳化矽晶球供應，以加速碳化矽晶圓產品發展，擴增在全球半導體市場的相關供應鏈占比。

台廠除環球晶外，漢磊投控 (3707-TW) 旗下磊晶矽晶圓廠嘉晶 (3016-TW) 也切入碳化矽磊晶代工服務，同集團的晶圓代工廠漢磊科則是提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服務。

而韓國唯一的半導體矽晶圓廠 SK Siltron，呼應韓國政府近來推動的材料技術自主化政策，也在今年 9 月宣布擬收購美國化學大廠杜邦 (DuPont) 的碳化矽晶圓事業，積極切入次世代半導體晶圓技術。

在既有廠商與新進者相繼擴增產能佈局之下，碳化矽晶圓成為半導體新材料的趨勢已確立，雖然受限成本與技術門檻較高、產品良率不高等因素，使碳化矽晶圓短期內仍難普及，但隨著 5G、電動車需求持續驅動，將成為加速碳化矽晶圓市場快速發展的最大推手，且在產品可靠度與性能提高下，終端廠商對新材料的信心，也可望隨之提升。