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寬能隙元件是晶圓廠中最顯眼的一個方向

MZjJ_DIGITIMES ? 來源:未知 ? 作者:姚遠香 ? 2018-10-05 08:54 ? 次閱讀

在后摩爾定律時代,各式各樣的增加價值方式都被拿出來討論。其中有一塊是對于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的設備自動化遠遜于300mm的,再加上人工智能的增值,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制程、設備上創造新元件。在300mm的設備、非最先進制程上,談的最多的是硅光子、MRAM和量子計算機。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,電子困于價帶無法自由移動,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。

過去半導體選用硅當材料是因為其能隙(energy gap)大小適中,硅的帶隙值為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,有更合適的材料來制作元件,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臺面的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制成的元件能夠耐受的電壓、電流和溫度都較硅大幅提升,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。

過去以硅為材料的功率元件包括二極管(bipolar)、功率晶體(power MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar TransistorIGBT)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硅基功率元件。

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芯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。

后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、人工智能與自動化,第三個則是材料,寬能隙元件正是其中顯眼的一個方向!

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原文標題:【椽經閣】寬能隙元件成小尺寸晶圓廠新希望

文章出處:【微信號:DIGITIMES,微信公眾號:DIGITIMES】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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