碳化硅、氮化镓作为5G时代热门半导体有什么差别?

2021-02-24 16:45:16 41

人工智能(AI)、边缘运算与万物联网趋势,带来无所不在的感测、通讯与功率解决方案需求,化合物半导体的重要性也随之暴增。从资料中心里的服务器、网通设备,到手机上的 RF 功率放大器,以及为所有电子元件供应电力的功率元件,都将因化合物半导体的普遍运用,在性能上出现重大突破。


5G 通讯频率高,能源效率更显重要


台达电资通讯基础设施事业群技术长蔡文荫就指出,在万物联网的未来,资料中心需处理的资料量将呈现爆发式成长,连带使得资料中心对电源、冷却设备的需求增加。但在此同时,客户也会对能源效率有更严格的要求。因为能源效率即便只是增加 1%,都能为客户创造出可观的节能效益。
联发科技处长梁正柏则从终端装置的角度出发,分享 5G 通讯在功率方面所面临的挑战。梁正柏指出,即便在 Sub 6GHz 频段,5G 所使用的通讯频率也高于 4G。光是在 RF 前端,讯号损失就会增加 1~2dB;再加上手机内部能留给天线的空间越来越小,5G 手机天线的性能,通常会减少 0.5~1.5dB。
EFFECT PHOTONICS 技术长 Tim Koene 表示,提到光电积体电路,业界普遍想到的都是硅光子(Silicon Photonic),并认为硅光子将在成本上拥有压倒性优势,其他基于化合物半导体的光电积体电路很难与之竞争。

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以耐受电压与输出功率为界,SiC、GaN 各有其优势场域


Yole Développement 电源与无线部门总监 Claire Troadec 表示,电源芯片产业大约每 20 年会有一次革命性突破,GaN on Si 与 SiC 将是引领这波新革命的要角。但由于材料特性不同,这两种元件适合的应用市场也有所区隔。一般来说,以耐受电压 600~650 伏特为界,高于此一区间的应用会以 SiC 为主;低于此一区间的市场则会是 GaN 的主战场。

就个别应用来说,SiC 最重要的应用会是电动车、轨道运输与电动车充电站;GaN 最重要的应用则是消费性电源,其次是电动车与不断电系统(UPS)等。

干坤科技技术长詹益仁认为,GaN 在电源领域的应用潜力自 2010 年开始受到关注,当时业界对其发展前景相当看好,投入的厂商也不少。但由于 GaN 与硅的特性不同,操作方式也不一样,因此在商品化初期遇到相当多问题,发展并不如预期顺利。直到最近一两年,GaN 在技术上才真的达到成熟阶段,可以大量商品化。

GaN Systems 亚洲区总经理 Stephen Coates 则指出,以 GaN 材料制作的功率电晶体,经过多年发展,生态系统已经渐趋成熟。不仅市场上已有相当多标准产品,价格也十分具有竞争力。以往客户最有疑虑的元件可靠度问题,现在也已不成问题。除了消费性电源之外,GaN Systems 也有服务器、工业设备、能源储存等领域的客户,推出采用 GaN 功率元件的应用产品;汽车 Tier 1 客户则正在设计导入阶段。这些对元件品质、可靠度要求极为严谨的垂直产业开始采用,是 GaN 元件可靠度已经不成问题的最佳证明。

产品线横跨 GaN 与 SiC 的意法半导体(ST)则认为,两种产品虽然有应用重叠之处,但由于技术特性的差异,会自然形成产品区隔。意法策略行销经理 Filippo Di Giovanni 指出,GaN 与 SiC 应用重叠的地方,落在输出功率 1~30kW 之间的应用,低于  1kW 的应用,GaN 有明显的优势,高于 30kW 的应用,则应该采用 SiC。


检测、蚀刻、封装陆续到位,宽能隙元件起飞可期


日月光处长邱基综就指出,过去几十年来,电源芯片的封装一直在追求微型化、更好的散热性能与更好的电气特性,所用到的封装技术也日益复杂。早年的电源芯片几乎都使用打线封装,但近年来采用覆晶封装的电源芯片已越来越常见。

而为了进一步在单一封装体内实现更高的整合度,很多芯片商已经发展出将主被动元件整合在同一个基板上的封装技术,推出外观看似芯片,实为电源模组(Module)的产品。

在检测部分,科磊(KLA)区域产品行销经理周发业表示,就 SiC 而言,最关键的是晶圆投片生产前的瑕疵检测,因为 SiC 晶圆出现缺陷的机率较高,因此在生产前的晶圆缺陷检测十分关键。GaN 元件的状况则正好相反,GaN 元件最棘手的地方在于,蚀刻制程不能对 GaN 的结构造成损伤,否则会对元件可靠度造成负面影响。因此,针对 GaN 元件,检测重点在蚀刻加工后的检测。

至于在蚀刻部分,住程科技(SPTS)系统副总裁 Dave Thomas 认为,SiC 蚀刻最具挑战性的地方在于如何加快蚀刻的速度,以及加工的终点侦测。由于 SiC 的硬度相当高,要对此材料进行快速蚀刻是比较困难的。另外,因为 SiC 元件的电晶体未来都会采用沟槽式结构,这意味着加工的终点会在盲区,要透过终点侦测把蚀刻深度控制得恰到好处,也是相对挑战的任务。

而在 GaN 的蚀刻方面,诚如周发业所言,GaN 层对蚀刻制程所造成的损伤相当敏感,故在蚀刻过程中,必须放慢速度,小心翼翼地进行。目前 SPTS 已经能做到将反应炉控制在电浆即将消失的极限条件,藉此把蚀刻速度放到最慢,以尽可能避免对元件结构造成损伤。

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