發佈日期:2017-09-04

我國寬能隙半導體氮化鎵於微波射頻領域投入分析

作者:羅濟威

前瞻研究寬能隙微波射頻射頻氮化鎵Wide Band-gapMicrowave RFRadio FrequencyGallium NitrideGaN

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矽材料做為第一代的半導體材料因發展較早,對其相關的基礎研究也非常透徹。矽元件的設計和技術開發也經過了多次的結構和工藝優化和更新,已逐漸接近矽材料的極限,而碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN)為代表的寬能隙(Wide Band-gap)半導體材料,相較於矽材料相比,因具有更寬的禁帶寬度、更高的導熱率、擊穿電場以及電子飽和速率,更適合用於製作高溫、高頻、抗輻射及大功率元件(表1),為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間,目前寬能隙產品及其相關技術發展主要為LED照明、電動車、智慧電網、工業與航太等需求電源轉換效率的節能產品。有鑑於此,美、日以及中國等國家已將寬能隙功率半導體作為國家發展計畫。

表1 半導體材料之電子特性

材料種類SiGaAs4HSiCGaN
能隙(eV)1.11.423.263.49
電子遷移率(cm2/Vs)15008500700900
飽和電子速度(x107cm/s)12.122.7
二維電子氣表面濃度(cm-2)-<4x1012-20x1012
臨界貫穿電場(MV/cm)0.30.423.3
熱導率(W/cm-K)1.50.54.5>1.7
介電常數(er)11.812.8109
資料來源:(蘇裕翔,2003),本研究重新繪製

但除了在電子功率元件的應用上,寬能隙半導體材料用來做為微波功率元件之應用亦深具潛力。一般而言微波功率元件主要的的工作頻段在300M-300GHz之間,主要用於微波功率的發射、放大、控制與接收,為現代移動通訊裝置、基地台甚至軍用的相控陣雷達應用關鍵元件。其中氮化鎵作為微波功率元件材料,相較於砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP)等半導體材料相比,所製作之元件輸出功率更大;而在同樣為寬能隙材料的碳化矽相比或是以基於矽材料技LDMOS(橫向擴散MOS技術),其頻率特性更好(圖1)。這意味著,隨著頻寬從原有4G擴大到4.5G甚至5G,原有的LDMOS技術含跨的300MHz-3.5GHz範圍將無法滿足,此外結合了材料具備了高功率的特點,這使得氮化鎵元件能夠進入該市場並快速成長,但目前在應用上主要仍以軍用雷達以及無線通訊基地台為主,在消費電子相關應用(如:智慧型手機)的使用上尚未成熟,在未來若要使用於5G智慧手機上,則仍須解決元件成本過高、低電壓工作環境以及封裝散熱問題(SemiconductorToday, 2014)。

圖1 氮化鎵/碳化矽/矽/砷化鎵高功率電晶體性質比較
資料來源:semiconductor,本研究重新繪製

根據Yole在「2016-2022年氮化鎵RF元件市場:應用、廠商、技術及基底」的報告指出,在2015年氮化鎵射頻產業受益於中國大規模應用LTE網絡,使得無線基礎設施市場規模接近3億美元。而因需求增加,使市場仍保持增長趨勢。但在2019-2020年間會因為5G網路的實施而使得整個氮化鎵射頻市場大幅擴大,報告中並估計2016-2022年整個市場年複合成長率將達14%,至2022年末,市場規模將擴大到7.5億美元。其中關鍵廠商包含umitomo Electric、Wolfspeed、Qorvo、M-A/COM、Microsemi、UMS、NXP、Ampleon、RFHIC、Mitsubishi Electric、Northrop Grumman和Anadigics,其市場應用含蓋了包括無線基礎設施、國防及航空航天、衛星通信、有線寬頻(有線電視和光纖到戶),以及其它ISM頻段應用(Yole, 2016)。

目前在GaN基微波功率元件主要技術涵蓋了碳化矽基氮化鎵技術(GaN-on-SiC)和矽基氮化鎵技術(GaN-on-Silicon)兩種技術,其中以Qorvo及其他大多數廠商採用的碳化矽基氮化鎵元件占整體氮化鎵商用元件的95%,這是因為SiC與GaN晶格匹配度高、功率密度高,再加上碳化矽材料具有更好的導熱性,這解決了氮化鎵材料先天熱導率不高的問題,這也使得此種技術可選用更小的封裝尺寸,大大減少設備的體積(壹讀,2016)。整體而言碳化矽基氮化鎵元件具備高性能但相對的也具高成本問題,而對需要高功率且對成本不敏感的應用市場(如:國防軍事用途、無線通訊基地台)而言,此技術仍是具有吸引力的。由於碳化矽基氮化鎵技術雖有著高功率密度與導熱性,但因成本過高的問題,限制了氮化鎵材料在應用上的範圍,因此Macom公司提出則發展了矽基氮化鎵技術,企圖有效的解決成本問題,該技術的優勢在於矽材料在製程上具備了製作更大晶圓的技術、且生產線相關成本較低,這會使得矽基氮化鎵元件之成本降低許多,但由於矽材料的導熱率相較碳化矽為低,因此在封裝設計上就需要更強調散熱。受限技術關係,碳化矽基氮化鎵襯底主要還是以生產3-4英吋晶圓為主,未來正朝向6英吋晶圓生產,以求進一步的降低成本;而矽基氮化鎵晶圓則從6英吋轉為8英吋,這也會使得氮化鎵微波射頻元件在未來商業微波射頻領域的應用上更具競爭力。

相較於微波射頻領域,目前寬能隙半導體相關研究主要著眼其節能特性,故主要的研究領域仍以電力電子功率元件的相關為主並相對成熟,因此我國產業在氮化鎵半導體材料的布局上,也依循此趨勢,主力布局於電力電子領域,相關廠商橫跨產業鏈磊晶到製造端,包含以磊晶為主的漢磊科技、嘉晶電子主要佈局於可耐受大電壓、高溫與能源轉換效率高的寬能隙功率半導體為主,另外還有超結(Super Junction)構造之MOSFET;而在元件設計端之瀚新科技則針對大電流規格之碳化矽MOSFET產品的開發為主,同時對1700V以及3300V的碳化矽功率元件進行投入,而在氮化鎵功率元件則主力在於600V以下無線充電之HEMT元件技術為主(鄭婓文,2017);而在製造端之台積電則宣布進入氮化鎵先進製程,與德商戴樂格合作生產6英吋、0.5微米、650V的手機快充晶片,而世界先進則是投資國外材料廠,開發電源管理IC的寬能隙半導體8吋製程(張嘉瑋,2016);而布局於微波射頻領域相關廠商則是位於材料端之環球晶圓,環球晶係以發展碳化矽基氮化鎵材料為主軸,目標為研發射頻(RF)用氮化鎵功率電晶體,產品市場鎖定於 4.5G / 5G 基地台(L/S/C-band)等(MoneyDJ, 2016)。雖然目前我國產業布局主力為電力電子領域,但有鑑於與微波射頻應用相關製程技術相近,若未來欲進入微波射頻領域將具備一定的基礎,例如目前台積電已具有矽基氮化鎵的供應能力,只不過它主要是為了電源或LED應用,所以採取了CMOS生產技術。而若未來需要進入高頻應用,則只需調整相關技術和流程的優化,如此可加速廠商跨入該領域之速度。

在我國研究投入部分,透過政府研究資訊系統(Government Research Bulletin, GRB ) 進行我國民國82-105年間相關投入計畫資料盤點,檢索方式以氮化鎵為關鍵字再透過人工篩選方式排除不符合之計畫專案,最終我國在82年至105年間,氮化鎵半導體相關技術的研究,執行計畫件數共 728件的計畫,總投入金額為74.9億元,若是解析各年的投入可發現,整體計畫規模的執行與經費上在民國100年後有逐年縮小的趨勢。為了瞭解計畫投入相關的領域及方向,因此參考相關次級資料寬能隙材料在半導體上主要應用而區分為五個主要應用領域,包括基礎研究、晶圓製造、光電應用、電力電子以及微波射頻。透過分析可發現我國在微波射頻領域的投入較少僅占總投入的5.9%,主要的投入以光電相關的應用的件數最多,總共佔了總件數之7.2%,其次為晶圓製造的26.6%、基礎研究13.4%以及電力電子12.3% (圖2)。在光電相關研究上,因氮化鎵材料最早之應用主要為LED的發光材料應用,而後因發現此材料同時具有寬能隙、節能特性,才轉在電力電子的應用,甚至因其寬頻特性而轉為微波射頻應用,因此此領域相關研究投入最早且計畫件數最多,相關的技術也較為成熟,整體研究方向自早期的藍光LED之發光元件的相關研究為主轉為朝向高亮度以及高功率的研究為主,此外相關雷射以及紫外光檢測器的研究近來也逐漸增多;而在磊晶相關的研究上,也同樣受到前述趨勢的影響,早期的研究主要方向為發光元件需求之研究,除了各種磊晶技術的發展外,選擇不同襯底進行磊晶也為此領域重要的研究方向,例如在光電領域藍寶石襯底的磊晶技術為早期研究重點,而後因其應用領域的擴大,包含以碳化矽襯底、矽襯底為基礎之相關磊晶技術也逐漸受到重視;而電子電力以及微波射頻領域相關研究與應用發展起步較晚,這反應到相對的計畫投入也較少。在電子電力領域,主要的研究朝向矽基氮化鎵的大功率元件發展為主,在應用上包含車用裝置、無線充電晶片以及綠能設備;在微波射頻領域,主要研究為矽基氮化鎵高電子遷移率電晶體(HEMT)元件以及功率放大器,並透過氮化鎵具有高頻之特性,而將頻寬鎖定於X(8-12 GHz)、K(12-18 GHz)以及Ka(27-40 GHz)之應用。

圖2 82-105年寬能隙半導體之研究計畫投入領域件數與經費
資料來源:GRB,本研究整理

若將計畫執行年限縮短至近10年,並以5年為區段進行分析,比較96-100年與101年到105年兩個區段可發現,我國所投入相關研究已有所轉移,微波射頻領域相關研究占比在101-105年超越了基礎研究,但和光電及電力電子應用相比仍明顯投入較少,主要的研究方向則以矽基氮化鎵元件研究為主,並鎖定於高頻波段的應用。而電力電子領域因為目前國際主力研發重點,我國相關投入也反應此趨勢而大幅成長,該領域之研究除了針對大功率耐高電壓元件研究外,因矽基氮化鎵因挾帶成本優勢,故其相關應用以及元件設計研究也較多;占比最高之光電領域雖然大幅減少,若觀察其研究可發現,該領域已從原有照明相關研究逐漸轉移至紫外光相關設備以及檢測器之研究、此外雷射相關研究也有漸增之趨勢。

圖3 96-105年寬能隙半導體之研究計畫投入領域變化
資料來源:GRB,本研究整理

隨著未來的全球減碳趨勢,以及無線通訊、雷達以及智慧車等領域的需求,寬能隙半導體材料的發展可與前代半導體技術互補,對節能減碳、產品微型化、產業轉型升級提供新的推力。而我國在既有半導體產業的矽相關製程的基礎下,具有顯著成果、經驗與設備,雖起步較美日等國家晚,然寬能隙半導體元件在整體系統中扮演高值化關鍵,尤其隨著4.5G甚至5G時代以及智慧車的來臨,各種無線通訊設備的翻新或增加,在未來將是深具潛力的市場,因此我國勢必要快速投入發展,爭取高值化轉型。而目前國內相關的研究能量較少,而相對技術也較美日落後外,再加上投入因屬個人型計畫,缺乏引導,以致研發能量發散,因此除了強化寬能隙半導體在微波射頻領域的投入外,先選擇相對進入技術門檻較低之矽基氮化鎵技術發展並結合國內既有矽相關技術能量,將有助縮短技術發展時程,另外相關之標準、檢測、認證等方面的也須及早建立,以因應即將到來的高功率大寬頻時代。

參考文獻

  1. MoneyDJ. (2016). 環球晶半絕緣碳化矽晶圓/氮化鎵元件開發計畫獲補助. Retrieved July 5, 2017, from https://www.moneydj.com/KMDJ/News/NewsViewer.aspx?a=f5b72e65-1a3b-4016-9fbb-0f978e53585d
  2. 壹讀. (2016). 解讀射頻GaN市場的機遇及未來發展. Retrieved July 5, 2017, from https://read01.com/PKNLBy.html
  3. 張嘉瑋. (2016). 快充晶片 台積跨入新製程. Retrieved July 5, 2017, from http://udn.com/news/story/7240/1920784
  4. 蘇裕翔. (2003). GaN高頻元件應用領域與發展現況. 光連雙月刊, (48), 28–30.
  5. 鄭婓文. (2017). 投入新一代功率元件 滿足高功率電力電子需求. Retrieved July 5, 2017, from http://www.digitimes.com.tw/iot/article.asp?cat=130&cat1=45&cat2=10&id=0000498999_5CD8W8FJLJ68CO8EWG28U
  6. SemiconductorTODAY. (2014). GaN to grow at 9% CAGR to over 18% of RF device market by 2020. http://www.semiconductor-today.com/features/PDF/SemiconductorToday_MayJune2014-GaN-to-grow.pdf.
  7. Yole. (2016). GaN RF Devices Market: Applications, Players, Technology, and Substrates 2016 – 2022. https://www.i-micronews.com/report/product/gan-rf-market-applications-players-technology-and-substrates-2016-2022.html?utm_source=PR&utm_medium=email&utm_campaign=GaN_RF_Market_YOLE_March2016