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汽車半導體的發展趨勢與策略(二)

碳化矽晶圓由於長晶速度慢、缺陷率髙,晶圓供應遠遠無法滿足需求。取得碳化矽晶圓是現在進入汽車功率元件市場的起碼門票。符世旻攝

面對汽車市場這個龐然巨物,半導體產業的反應與汽車產業截然不同,沒有人想向上垂直整合去製造汽車,但是思維和考量方式有驚人的相似性。

前述功率元件,特別是第三代半導體,會由新能源車率先踏入汽車產業。但是汽車產業由於儲存電能和能源效率的問題,傳統的功率元件以及電池目前遠遠無法滿足應用需求,引入新材料的發展成為解決方案。在功率元件上,第三代半導體具代表性的碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)被積極引入。

雖然第三代半導體元件也是半導體元件,但是要利用它們有別於矽元件的電、熱特性來產生優異性能,也必須承受發展新材料的艱難過程。

目前碳化矽的長晶是用異於長矽錠的昇華法,速度慢而且良率低,主要原因是原始材料之一的碳離子太輕,在2,000多度的高溫下會四處亂竄,造成碳化矽錠的晶格缺陷。碳化矽主流晶圓尺寸目前為6吋(氮化鎵4吋),已經慢慢走向8吋,晶圓價格昂貴異常。

一個碳化矽功率元件的成本表中,晶圓成本佔近50%。即使產業努力嘗試降低晶圓價格2~3倍,預計到2025年晶圓仍佔元件成本20%左右。一個對照的數據是先進製程的矽基元件,晶圓成本佔晶圓售價不到1%。顯然第三代半導體的晶圓製造中長晶是產品主要增值環節。

在此一思維下,幾乎所有的功率元件大廠都已經向原材料上游整合,培養或購併長碳化矽晶圓能力。譬如意法半導體(STM)的Norstel、英飛凌(Infineon)的Siltectra、羅姆(Rohm)的SiCrystal、SK海力士(SK Hynix)與SK Siltron等。有趣的是碳化矽晶圓供應龍頭Cree也加入了功率元件製造的行列,目前市佔率暫居第三。

除了加入核心增值環節的競爭考慮外,長晶圓與元件製造的垂直整合還有其他好處。首先,這二者的挑戰都是關於新材料的發展及控制應用,用於長晶的許多材料知識以及材料研發新方法如機器學習、第一原理計算等在此二環節都有用處,整合後可以充分發揮綜效。

生產SiC晶圓雖然目前是知識及經驗密集的產業,但是其生產設備並不昂貴。如果有足夠的know-how,1億美元已足以支持一家有足夠規模經濟的新創公司。Affordable investment是半導體廠願意向上整合至原物料供應環節的原因之一。

另一個誘因也是短期因素,卻對此時發展碳化矽功率元件是生死交關的事。碳化矽晶圓由於長晶速度慢、缺陷率高,晶圓供應遠遠無法滿足需求。取得碳化矽晶圓是現在進入汽車功率元件市場的起碼門票。

所以在半導體產業內,由功率元件的晶圓製造整合進碳化矽晶圓製造(原物料)也是汽車半導體的另外一個趨勢,這個趨勢以前在半導體產業未有先例。這也意味著藉由奈米科技的製程演進、異構整合之外,材料科學將逐漸變成半導體另外一個主要的增值環節。

接續閱讀:汽車半導體的發展趨勢與策略(三)

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。