SEMICON Taiwan 2019 功率暨光電半導體技術論壇會後花絮報導
隨著5G、電動車等應用興起，產業對於高頻與低損耗特性的需求與日俱增。在此背景下，擁有優秀特性的寬能隙半導體材料，成為備受業界矚目的新秀。
汽車與射頻通訊領域對於高頻率、高壓或高溫元件需求逐年擴增，寬能隙半導體，如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)，正在與傳統的矽材料結合使用，由於其可以在較高頻率、電壓和溫度的環境下作業，同時損失較少的功率，為相關產業發展帶來嶄新的突破。
穩懋半導體策略長、SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會主席李宗鴻 (圖1) 表示，化合物半導體發展已歷經一段歲月，2019年開始將會是持續爆發的時間點，無論是在功率電子元件、光通訊元件、光傳輸、感測與微波通訊等應用，對於化合物半導體的需求只會有增無減，以實現快速傳輸，為生活帶來更多的便利。
(圖1) 穩懋半導體策略長/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會主席李宗鴻指出在功率電子元件、光通訊元件、光傳輸、感測與微波通訊等應用方面，對於化合物半導體的需求將會有增無減。
中科院材料暨光電研究所長、高功率元件應用研發聯盟代表，同時也是SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會副主席程一誠 (圖2) 也呼應，電子時代的應用追求高功率、高溫與高頻的應用，像是電動車、5G/6G通訊，甚至是新能源發展，既有的半導體技術已經沒有辦法應付未來發展的應用，故化合物半導體如GaN和SiC角色愈趨重要。為加速高功率元件發展，除垂直應用領域整合外，更應著手強化產官學間的合作，發起共同研發計畫，為台灣產業找到具獲利基礎的技術發展方向。
(圖2) 中科院材料暨光電研究所長、高功率元件應用研發聯盟代表、SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會副主席程一誠認為既有的半導體技術已經沒有辦法應付未來的應用，化合物半導體角色將會愈趨重要。
電動車帶動SiC需求起飛 GaN搶攻中低功率市場
從電動車市場來看，全球有50%的電動車市場來自於中國市場。在政府大力推動以及節能減碳的需求日增，促進國內外車廠大舉投入電動車，其中最積極的廠商包含吉利集團和比亞迪這兩家公司。
萬邦新能源集團高級副總裁、SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會榮譽主席張育銘 (圖3) 談到，電動車市場蓬勃發展，亦帶動相關半導體產業鏈的起飛，特別是具備高耐壓電場、高飽和電子速度、以及高散熱係數的寬能隙功率元件。繼特斯拉(Tesla)之後，已有越來越多廠商將SiC導入至汽車或充電站應用。SiC能讓電源系統的整體效率提升、尺寸變小，得以讓充電站普及建置變得更加容易。目前在180KW應用已經大多數已經開始用了SiC技術，例如保時捷(Porsche)快充就是採用SiC技術。
(圖3) 隨著電動車市場蓬勃發展，萬邦新能源集團高級副總裁/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會榮譽主席張育銘對於相關半導體產業鏈的起飛，抱持樂觀看法。
Yole Développement電力及無線部門總監Claire Troadec (圖4) 談到，不同功率元件的使用分布與應用頻率有關。基本上，GaN與矽技術的應用頻率有所重疊，不過GaN的理想應用頻率在高頻，可以比矽應用於更高的頻率工作。但是受限於成本因素，在低頻區域仍以MOSFET為首選。另一方面，SiC正進入需要高效率系統的高功率市場。
(圖4) Yole Développement電力及無線部門總監Claire Troadec認為SiC正進入需要高效率系統的高功率市場。
應用材料(Applied Materials)技術總監何文彬 (圖5) 分析，汽車產業對於可靠度的要求非常高，尤其是汽車本身，而SiC對汽車產業而言是新興的元件技術，還需要一段時間證明其安全性與可靠度。因此，基本上SiC將會從充電站開始著手，藉由充電站的建立提供可靠度數據資料，當數據資料越多，可靠度設計基礎也就越扎實，目前可看到SiC已陸續用於車載充電器(On-Board Charger, OBC)。
(圖5) 鑒於汽車產業對可靠度的高要求，應用材料(Applied Materials)技術總監何文彬分析，SiC將會從充電站著手，並可透過充電站建立可靠度數據資料。
意法半導體(ST)策略行銷、創新暨關鍵計畫經理Filippo Di Giovanni (圖6) 表示，SiC技術的升級速度遠超市場預期，從汽車牽引逆變器(Traction Inverter)，DC/DC轉換器和OBC及工業應用如太陽能、不斷電供應系統(UPS)、儲能與PUS領域即能看到總體設計成本已有高達20%的降低。
(圖6) 意法半導體(ST)策略行銷、創新暨關鍵計畫經理Filippo Di Giovanni對於SiC技術的升級速度抱持正面的態度。
除了SiC之外，宜普(EPC)全球銷售和行銷資深副總裁Nick Cataldo (圖7) 表示，與矽相比，GaN更具備更快速、尺寸小、更高效率、更便宜且易於整合等能力，可廣泛應用於新興的物聯網設備、醫療診斷和植入式設備、光達(應用於自駕車、AR和無人機)、無線充電及電腦運算相關領域(如雲端運算、AI和深度學習等)。值得一提的是，400W以下的GaN製程，除了磊晶外，所有製程皆可使用標準的矽設備。
(圖7) 宜普（EPC）全球銷售和行銷資深副總裁Nick Cataldo提出GaN小尺寸、高效率、低成本的優勢，可廣泛應用於物聯網設備、醫療診斷等領域。
5G帶來四高訴求 成化合物半導體發展另一動能
除了功率元件之外，無線通訊一直是化合物半導體最重要的應用市場，因此在無線通訊往5G邁進的過程中，SiC、GaN等化合物半導體也會同蒙其利。
穩懋半導體協理黃智文 (圖8) 表示，過去台積電曾說物聯網是驅動半導體技術的關鍵應用，但從化合物半導體廠商的角度來說，穩懋認為5G將是未來驅動化合物半導體的重要技術，而5G也正在發展當中。過去4G時代，低頻對於封裝技術的要求不高，而5G由於訴求高頻、高線性(Linearity)、高效率及高整合，晶片尺寸大小成了關鍵問題，為此該公司提供功率放大器(PA)與低雜訊放大器(LNA)的整合方案，因應5G應用需求。
關於化合物半導體應用於5G通訊技術的發展狀況，在Yole Développement電力及無線部門總監Troadec 的分享中也提到，2018~2023年之間，由於5G需要更多的基地台收發台(BTS)與串聯中央及分散式單元的光通訊連接，對於磷化銦(Indium Phospide, InP)技術更勝以往，複合年均成長率為16%；而GaAs RF用於功率放大器可提供優異的穩定性且體積小，複合年均成長率為2%；GaN RF SiC大多用於軍用領域，特別是5G應用，年複合成長率有13%之多。
(圖8) 穩懋半導體協理黃智文認為5G對於高頻、高線性(Linearity)、高效率及高整合的訴求，讓晶片的尺寸成為競技關鍵。
整體而言，5G發展正如火如荼進行當中，2019年已經有5G商用手機已陸續面式，而5G基礎建設更是馬不停蹄展開布建。5G技術的導入為手機帶來典範轉移，未來手機將不再只是個人化載具，其通過與物聯網連接，將成為人與環境之間互相傳遞資訊的行動窗口，為生活帶來更高的便利性。
滿足高可靠度要求 燒結蝕刻新技術有解
從封裝製程設計角度來看，先進太平洋(ASM Pacific)技術副總裁Eric Kuah (圖9) 談到，銀燒結技術可以減低封裝時的負荷及元件劣化問題，可用於車輛電氣化中的測試封裝電源模組。
針對燒結製程，只有當溫度、時間與壓力控制三方達到最佳的平衡點時，才能獲得最佳的燒結結果，因此，確保所有材料良好燒結餘一個封裝內，或減少燒結後封裝上的氧化物，以減低製造成本，都是採用燒結技術時需考量的解決方案。
(圖9) 先進太平洋(ASM Pacific)技術副總裁Eric Kuah從封裝製程設計角度分析：銀燒結技術可降低封裝時負荷及元件劣化問題，適用於車輛電氣化中的測試封裝電源模組。
至於在蝕刻製程方面，住程科技系統(SPTS)產品經理Richard Barnett (圖10) 表示，SiC晶圓可同時使用在功率元件及高功率射頻元件兩個領域，其所使用的蝕刻製程有些不同。功率元件只有正面蝕刻需求，屬於淺蝕刻(Shallow Etching)，蝕刻速度快，且不用擔心蝕刻製程會損壞元件。
大功率射頻技術則有正面蝕刻與背面蝕刻的需求，正面用淺蝕刻，但因為有損壞元件的可能性，所以蝕刻速率會放慢；至於在背面，則需要採用深蝕刻(Deep Etching)，且因為無須擔心對元件造成損壞，故可拉高蝕刻速度。
(圖10)住程科技系統(SPTS)產品經理Richard Barnett從蝕刻製程角度提醒：SiC晶圓可同時使用在功率元件及高功率射頻元件兩個領域，但皆各有需留意之處。
不過，由於SiC功率元件從平面結構轉向溝槽式(Trench)結構的趨勢興起，未來蝕刻設備在這方面會有很大的發展機會。不過，要在SiC晶圓上蝕刻出溝槽，需要搭配深度控制技術，這方面目前業界有兩種方法，分別是白光干涉與雷射干涉，但各自有其適合的應用情境跟限制。
降低生產成本 製程控制仍不可免
雖然化合物半導體未來有很大的應用發展潛力，但不可諱言的是，SiC跟GaN材料目前的成本還是比矽材料高出一大截，這使得半導體製造商必須在製程控制上必須投入更多心力跟資源，以降低生產成本，滿足客戶要求。
科磊(KLA)亞洲區產品行銷經理周發業 (圖11) 指出，製程控制(Process Control)在本質上是一種數據分析，其前端分成檢查(Inspection)、複查(Review)與量測(Metroglogy)三個部分，藉由在各個製程步驟中收集更多資料，及早發現缺陷，進而採取對應的控制手段。
(圖11) 科磊(KLA)亞洲區產品行銷經理周發業指出，製程控制分成檢查、複查與量測三部分，藉由透過各步驟收集資料，及早發現缺陷，進而採取對應的控制方式。
製程控制除了可以避免有缺陷的元件流入後續的製程步驟，白白浪費時間跟資源外，對於提高生產良率跟產能，降低生產成本也可帶來幫助。一般來說，先進製程對製程控制較為講究，因為任何一點小小的缺陷都會使採用先進製程的晶片失效，而且製程控制對於縮短新製程的良率拉升曲線，能帶來相當明顯的效益。
相對的，成熟製程因為良率已經非常穩定，因此採用成熟製程的晶片，往往比較容易忽略製程控制的重要性。但由於SiC、GaN等材料有著不同於矽材料的特性，且單價可達矽材料的數倍甚至數十倍，因此導入製程控制所能獲得的經濟效益，將比過去更為明顯。
今年展覽期間也全新規劃創新展區「化合物半導體創新應用館」，聚焦「3D Sensing」、「LiDAR & RADAR」、「Powertrain」和「EV Charging Solution」等四大掌握化合物半導體關鍵技術和趨勢的主題，並匯聚穩懋、IQE、漢磊、茂矽、嘉晶、GaN Systems、台達電子、錼創科技以及工研院等代表大廠參展，現場更展示BMW i3s和i8 Coupe，讓參與者現場親身體驗化合物半導體發展所成就的未來科技！除此之外，SEMI功率暨化合物半導體委員會持續藉由定期會議及技術研討會，匯聚跨領域產業專家，針對產業共同面對的挑戰，商討解決對策，加速產業的發展速度。更多功率暨光電半導體相關的活動，請至SEMI官網查看。
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(圖說12) 由左至右分別為：科磊(KLA)亞洲區產品行銷經理周發業、Yole Développement電力及無線部門總監Claire Troadec、應用材料(Applied Materials)技術總監何文彬、先進太平洋(ASM Pacific)技術副總裁Eric Kuah、漢磊科技總經理/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會副主席莊淵棋、穩懋半導體策略長/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會主席李宗鴻、萬邦新能源集團高級副總裁/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會榮譽主席張育銘、意法半導體(ST)策略行銷、創新暨關鍵計畫經理Filippo Di Giovanni、中科院材料暨光電研究所長/高功率元件應用研發聯盟代表/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會副主席程一誠、聯穎光電技術長/SEMI Taiwan功率暨化合物半導體委員會副主席林嘉孚、宜普（EPC）全球銷售和行銷資深副總裁Nick Cataldo。