寬能隙半導體之政府投入分析

導讀
低功率損耗率及耐高溫之寬能隙半導體為綠色能源選項之一,本文分析我國政府在82至102年期間所投入寬能隙半導體相關資源,其82至100年間呈正成長趨勢,但而後逐漸下降,且政府近年投資傾向於碳化矽和氧化鋅等材料研究及應用,為因應未來需求之快速成長,宜持續重點研發及盡早佈局其供應鏈體系。

全球因應氣候變遷而進行減碳及綠色能源政策,各國亦積極開發低耗能的產品,寬能隙半導體是其中之一,其優點是高耐壓電場、高飽和電子速度、以及高散熱係數,可使元件擁有低耗能、廉價、縮小化、耐熱、及高密度電流,並廣泛應用在混合動力系統、風力發電機、太陽光電變頻器、氣體感測器、雷射元件、發光二極體等(IMS,2013、呂明霈,2013)。根據Madakasira(2013)及IMS(2013)表示,氮化鎵碳化矽未來需求量會快速成長,在2020年間之電力電子元件和功率半導體市場產值分別高達33及280億美元。本文以寬能隙半導體為主題,探討政府在此方面之資源投入概況,就目前熱門材料之氮化鎵、碳化矽、氧化鋅、鑽石、及寬能隙作為關鍵字查詢政府研究資源系統(GRB),時間為82至102年研究計畫。

我國政府在82至102年期間所投入寬能隙半導體相關資源,其經費金額除了88至93年期間下降之外,長期呈正成長趨勢,尤其是100年度之經費達到最高峰,但而後逐漸下降(圖1)。

圖1 82-102年寬能隙半導體之研究計畫件數與經費變化

經費規模分佈集中在不足百萬元以下之小型計畫,少有千萬等級以上之大型計畫,僅占2.5%,其經費主要來源是科技部及經濟部,科技部在研究計畫規模上,以不足百萬元以下等級之計畫為主,經濟部雖然投入件數低,但以千萬元級以上之大型計畫為多(表1)。

表1 82-102年寬能隙半導體之研究計畫規模(件數)

經費規模 全體 科技部 經濟部 原能會
不足百萬 1,160 1,154 0 6
百萬 751 743 4 4
千萬 41 25 15 1
7 0 7 0

研究計畫之領域分布,其分類採用GRB研究領域分類進行分析(財團法人國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心,2014b),結果以材料科學(30.4%)最多,僅次分別為光電工程(30.3%),電子電機工程(14.7%),其主要是在應用研究類上,基礎研究類則以物理領域為主。其前10大計畫之主要研究方向為光電元件之關鍵技術、感測元件、鑽石材料、磊晶技術等(表2)。

表2 前 10 大寬能隙半導體之相關計畫

計畫名稱 主管機關
智慧綠能電子/車電關鍵技術計畫 經濟部技術處
光電半導體應用及光通訊關鍵性技術發展四年計畫 經濟部技術處
換能材料發展應用五年計畫 經濟部
光通訊與光電元組件關鍵性技術發展四年計畫 經濟部技術處
高效能半導體光源及應用技術計畫 經濟部技術處
光電輸出入模組與應用計畫三年計畫 經濟部技術處
工業陶瓷研製計畫 經濟部
高品質氮化鎵磊晶技術開發暨MOCVD設備購置計畫 經濟部技術處
自組成氮化銦鎵量子點研究 科技部
綠能高功率元件關鍵基礎材料單晶碳化矽開發計畫 經濟部技術處

不同的關鏈詞在我國政府投入的研究計畫上,早期著重在鑽石膜相關計畫,86年之後轉支持為氧化鋅和氮化鎵等之相關計畫。科技部支持的研究方向,大體符合我國投入研究計畫領域的趨勢,長期持續投入鑽石膜或鑽石材料相關研究計畫,後期逐年加重氧化鋅和氮化鎵等相關計畫之投入。若觀察經濟部近年來所投入數項大型之關鍵技術計畫,在碳化矽相關技術領域的計畫經費有持續成長趨勢,但對氧化鋅之相關研究計畫,尚未發現有明顯研究資源投入(圖2)。在研究計畫盤點的過程中,發現在1,959件研究計畫中,有三種不在本文採用關鍵詞之材料,且出現頻高,其分別為氧化鋁(286件)、氮化銦(278件)、氮化鋁鎵(264件)等材料,需進一步分析。

圖2 不同關鍵詞在研究計畫經費變化

綜上所述,熱門材料及科技趨勢常會影響研究主題及資源投入方向,且在某一期間針對性投入大量資源,例如鑽石、工業陶瓷之早期研究主題轉型為氧化鋅和氮化鎵,近年來政府積極推廣研究成果及交流,紛紛成立寬能隙電力電子研發聯盟功率元件及晶體研發聯盟III-V族化合物半導體聯盟等,以加強產學合作,形成產業聚落,試圖在國際市場上占有一席,而2014年美國宣布未來5年投資7千萬美元設立次世代電力電子製造創新研究所,以發展寬能隙半導體研究(Advanced Manufacturing National Program Office,2014),顯示未來在寬能隙半導體研究上,仍穩定成長。

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