寬能隙元件成小尺寸晶圓廠新希望

在後摩爾定律時代，各式各樣的增加價值方式都被拿出來討論。其中有一塊是對於已經投入生產的龐大設備資產活化。方法包括自動化－以前150mm和200mm的設備自動化遠遜於300mm的，再加上人工智慧的增值，舊廠舊設備也能大幅提升生產力，創造新價值。

另一個方向是在這些已然故舊的製程、設備上創造新元件。在300mm的設備、非最先進製程上，談的最多的是矽光子、MRAM和量子電腦。而在150mm/200mm上，已經開始上線的就是寬能隙(wide band gap)元件了。

物質的導電性質是由物質的能帶(energy band)決定的。當價帶(valence band)與導電帶(conduction band)接觸－帶隙值為0，電子可以在各能帶間自由移動，這就是導體。當價帶與導電帶分離很遠－或者帶隙值很大，電子困於價帶無法自由移動，這就是絕緣體。帶隙值在兩者之間，導電或絕緣可以由外頭施加電壓來操控，這就是半導體。

過去半導體選用矽當材料是因為其能隙(energy gap)大小適中，矽的帶隙值為1.1eV，在室溫下性質穩定，操控的電壓也毋需太大。然而在新的應用需求下，譬如高電壓、大電流、高切換(switch)速度等要求，有更合適的材料來製做元件，這就是寬能隙材料。

寬能隙材料是指帶隙在2~7eV之間的半導體。兩種材料在科研界受注目已久，而在此時逐漸浮上產業檯面的SiC(Silicon Carbide)與GaN(Gallium Nitride)，它們的帶隙分別是3.023eV(6H) / 3.265 eV(4H)與3.4eV(SiC有6H和4H兩種結構)。寬能隙的好處是以它為材料製成的元件能夠耐受的電壓、電流和溫度都較矽大幅提升，用術語來説，它們的擊穿電壓(breakdown voltage)很高。而且它們切換的速度快、能耗低，這就構成了功率元件的基礎條件。

過去以矽為材料的功率元件包括二極體(bipolar)、功率晶體(power MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor；IGBT)等，曾經也滿足了部分的需求。但是在未來的5G、電動汽車、再生能源、快速充電等新應用上，寬能隙元件都有機會取代矽基功率元件。

SiC發展的較早，在150mm上已開始生產，目前有廠商開始生產200mm的晶圓，所以200mm晶片的設計與生產也不是太久的事，GaN目前還在150mm上。但它優異的性能讓廠商迫不急待的商業化。

後摩爾定律時代增加價值的方式短期內將是百花齊放，但是有三個明顯的大領域已然先成形：3D、人工智慧與自動化，第三個則是材料，寬能隙元件正是其中顯眼的一個方向！