第三代半導體的明日之星-SiC碳化矽

汽車業的世紀革命:電動車

世界第一台汽車,在1885年問世。汽車產業發展至今,電動車所帶來的世紀革命已然成型。隨著各國的綠能政策推動、碳排放標準的限制,電動車銷售量預估到2030年將達到2200萬輛,市場規模成長近10倍。美國與歐洲,多國政府領袖宣佈將於2035年,汽車全面採用乾淨能源。

根據統計,2020年,全球汽車與其周邊產業的年產值約為4兆美元,是半導體產業年產值4,250億美元的10倍。一個龐大的電動車市場快速成長,將使傳統汽油動力推動的汽車產業解構,半導體產業將出現巨大新需求。

傳統汽車的耗油率是由引擎決定,未來電動車的續航力則是由第三代半導體SiC技術決定。調研機構Yole Developpement報告指出,自從特斯拉 (Tesla) 領先全球在 Model 3的逆變器模組上採用SiC,創造優越的續航力,SiC便成為市場寵兒,許多車廠和半導體廠商已如火如荼地在磊晶、元件製造、晶圓製造等供應鏈上垂直整合佈局。

乾淨能源時代來臨,電動車將取代傳統燃油車
乾淨能源時代來臨,電動車將取代傳統燃油車

漢民SiC製程研發成果及挑戰

漢民科技為了發展第三代半導體,成立SiC部門專責研發SiC技術,自行設計長晶爐 (6’’SiC Furnace),經過2000℃-2500℃的長時間長晶 (SiC Boule) 完成,晶錠開始定位加工 (SiC Boule Machining),成為標準圓柱形,接著進行複線切割,移除晶體表面的損傷層 (Slicing/Lapping),最終利用化學機械研磨 (CMP),產出粗造度小於0.1奈米、微孔缺陷 (Micropipe) 密度小於每平方公分0.06個晶圓,目前正朝商業化量產的目標前進。

SiC Manufacturing Process
SiC Manufacturing Process
SiC (n-type) Crystal Quality
SiC (n-type) Crystal Quality

SiC市場應用範疇

SiC的寬能隙 (Band Gap) 比現有Si (矽) 的能隙寬度寬3倍以上,可承受10倍以上的電壓,SiC的低損耗、高功率特性適用在高電壓與大電流的應用場域,包含電動車、電動車充電基礎設施、太陽能以及離岸風電等綠能發電設備。第三代半導體材料SiC較傳統Si,能降低50%電能轉換損耗、降低20%的電源轉換成本,還能提升電動車4%的續航能力。

目前的電動車主要是200V-450V的電池動力系統,更高階的車款則將推進到800V的電池動力系統。市場對於延長電池的續航力、增加電池容量,及縮短充電時間等有極大需求,電池將朝高電壓800V的方向發展,這使能承受高電壓的SiC被寄予厚望。根據意法半導體的觀察,只要是800V的電池動力系統,都將會是SiC的市場。

SiC能有效解決電動車和綠能設備的高電壓需求
SiC能有效解決電動車和綠能設備的高電壓需求

資料來源:
侯冠州 (2021年01月20日8:31);2021 電車襲來》電動車加足馬力向前衝,碳化矽、氮化鎵商機來勢洶洶;科技新報Tech News (2021/05/17),取自https://technews.tw/2021/01/20/ev-sic-gan/

Chen Kobe (2021年01月19日15:00);2021 電車襲來》全球主要電動車市場分析:2021 成長 40%,總銷量超越三百萬輛;科技新報Tech News (2021/05/ 18),取自https://technews.tw/2021/01/19/global-electric-vehicle-market-analyze-2021/

Anthea Chuang (2021年04月16日);SiC與GaN元件搶上EV當「老大」;EE Times Taiwan (2021/05/18),取自https://www.eettaiwan.com/20200416nt31-sic-and-gan-devices-extend-their-domain-in-ev-market/

May (2021年01月20日);第三代半導體SiC發展應用於電動車;
科技產業資訊室 (iKnow) (2021/05/17);取自https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=17447

王郁倫 (2020年11月19日);2035年燃油車大限!童子賢:6兆美元汽車產業將脫胎換骨,台灣無窮機會!;數位時代 (2021/05/20),取自https://www.bnext.com.tw/article/60159/th-pegatron-ev-2035