既有厂商扩产、新进者积极切入 碳化硅晶圆拥何种魅力？

随着 5G、电动车等新应用兴起，万物联网时代来临，对功率半导体需求增温，碳化硅 (SiC)、氮化镓 (GaN) 等化合物半导体材料跃升成市场焦点；从最上游的半导体晶圆来看，碳化硅晶圆是势头正热的新材料，不过，究竟是什么原因，让既有厂商与新进者，争相扩产或布局？

半导体材料历经 3 个发展阶段，第一代是硅 (Si)、锗 (Ge) 等基础功能材料；第二代开始进入由 2 种以上元素组成的化合物半导体材料，以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 等为代表；第三代则是氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等宽频化合物半导体材料。
目前全球 95% 以上的半导体元件，都是以硅作为基础功能材料的硅基半导体，不过，随着电动车、5G 等新应用，对电路高频率、高功率元件需求成长，硅基半导体因受限硅材料的物理性质，在性能上有不易突破的瓶颈，也让厂商开始着眼性能更优异的新材料，争相投入化合物半导体领域。
近来再度成为市场焦点的，便是第三代半导体材料氮化镓与碳化硅，其属于宽能带隙材料，具有高频、耐高电压、耐高温等优势，且导电性、散热性佳，可降低能量耗损，元件体积相对较小，适合功率半导体应用。
由于在高电压功率元件应用上，硅基元件因导通电阻过大，往往造成电能大量损耗，但硅材料遭遇瓶颈之下，氮化镓、碳化硅导通电阻远小于硅基材料，导通损失、切换损失降低，取而代之的是更高的能源转换效率，挟着高频、高压等优势，氮化镓、碳化硅崛起成为 5G 时代的半导体材料明日之星。
氮化镓主要应用于 600 至 1000 伏特的电压区间，具备低导通电阻、高频率等优势，且对电磁辐射敏感度较低，可在高温、高电压环境下运作，为理想的微波频率功率放大元件，应用包括变频器、变压器与无线充电。
氮化镓为基地台、雷达与航空电子等无线通讯设备放大器首选，而未来 5G 基地台供电模组、电动车车载充电等领域，也将持续推升需求。虽然目前氮化镓在射频领域应用比重，仍高于电源领域，但包括电竞电脑、数据中心伺服器等应用，已有部分氮化镓功率元件开始导入，以提供更佳的电源转换效率。
碳化硅材料也同样具备低导通电阻、高切换频率、耐高温与耐高压等优势，可应用于 1200 伏特以上的高压环境，相较于氮化镓，碳化硅具备更高效率，应用层面广泛，如风电、铁路等大型交通工具、太阳能逆变器、不断电系统、智慧电网、电源供应器等高功率应用领域。

近来随着电动车与混合动力车发展，碳化硅材料快速在新能源车领域崛起，主要应用包括车载充电器、降压转换器与逆变器。特斯拉 (Tesla) 已在旗下 Model 3 电动车的逆变器中，率先采用 SiC MOSFET 元件，降低传导与开关损耗，进而提升 Model 3 行驶距离，也让 SiC MOSFET 在电动车领域掀起讨论。
然而，SiC MOSFET 性能与散热表现虽然较佳，但受限成本过高，加上碳化硅晶圆生产技术复杂，良率表现不如硅晶圆，也使碳化硅目前在电动车领域渗透率仍不高。
不过，全球最大汽车零组件供应商 Delphi 今年 9 月发表最新使用碳化硅模组的 800 伏特逆变器，可延长电动车行驶距离、缩短电动车充电时间，也成功取得主要客户为期 8 年的订单合约，预计 2022 年起供货客户使用 800 伏特的高阶车款。在全球最大汽车零组件大厂也投入碳化硅技术之下，也为未来碳化硅在车用市场的发展潜力，增添更多想像空间。

目前全球生产碳化硅晶圆的厂商，包括 CREE、罗姆半导体旗下 SiCrystal、II-IV、Norstel、新日铁住金及道康宁 (Dow Corning)，其中，CREE 市占率高达 6 成之多，几乎独霸市场，且 CREE 今年 5 月更宣布，看好 5G 与电动车后市需求，将在未来 5 年内，斥资 10 亿美元扩产。
着眼碳化硅在电动车、电力电子领域的优势，台湾地区硅晶圆大厂、同时也是全球第三大硅晶圆供应商环球晶也积极跨入碳化硅晶圆领域，目前已有产品小量出货，且环球晶今年 8 月更宣布与 GTAT 签订碳化硅晶球长约，确保取得长期稳定、且符合市场需求的碳化硅晶球供应，以加速碳化硅晶圆产品发展，扩增在全球半导体市场的相关供应链占比。
台厂除环球晶外，汉磊投控旗下磊晶硅晶圆厂嘉晶、也切入碳化硅磊晶代工服务，同集团的晶圆代工厂汉磊科则是提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服务。
而韩国唯一的半导体硅晶圆厂 SK Siltron，呼应韩国政府近来推动的材料技术自主化政策，也在今年 9 月宣布拟收购美国化学大厂杜邦 (DuPont) 的碳化硅晶圆事业，积极切入次世代半导体晶圆技术。
在既有厂商与新进者相继扩增产能布局之下，碳化硅晶圆成为半导体新材料的趋势已确立，虽然受限成本与技术门槛较高、产品良率不高等因素，使碳化硅晶圆短期内仍难普及，但随着 5G、电动车需求持续驱动，将成为加速碳化硅晶圆市场快速发展的最大推手，且在产品可靠度与性能提高下，终端厂商对新材料的信心，也可望随之提升。