第三代半导体的明日之星-SiC碳化硅

汽车业的世纪革命:电动车

世界第一台汽车,在1885年问世。汽车产业发展至今,电动车所带来的世纪革命已然成型。随着各国的绿能政策推动、碳排放标准的限制,电动车销售量预估到2030年将达到2200万辆,市场规模成长近10倍。美国与欧洲,多国政府领袖宣布将于2035年,汽车全面采用干净能源。

根据统计,2020年,全球汽车与其周边产业的年产值约为4兆美元,是半导体产业年产值4,250亿美元的10倍。一个庞大的电动车市场快速成长,将使传统汽油动力推动的汽车产业解构,半导体产业将出现巨大新需求。

传统汽车的耗油率是由引擎决定,未来电动车的续航力则是由第三代半导体SiC技术决定。调研机构Yole Developpement报告指出,自从特斯拉 (Tesla) 领先全球在 Model 3的逆变器模块上采用SiC,创造优越的续航力,SiC便成为市场宠儿,许多车厂和半导体厂商已如火如荼地在磊晶、组件制造、晶圆制造等供应链上垂直整合布局。

干净能源时代来临,电动车将取代传统燃油车
干净能源时代来临,电动车将取代传统燃油车

汉民SiC制程研发成果及挑战

汉民科技为了发展第三代半导体,成立SiC部门专责研发SiC技术,自行设计长晶炉 (6’’SiC Furnace),经过2000℃-2500℃的长时间长晶 (SiC Boule) 完成,晶锭开始定位加工 (SiC Boule Machining),成为标准圆柱形,接着进行复线切割,移除晶体表面的损伤层 (Slicing/Lapping),最终利用化学机械研磨 (CMP),产出粗造度小于0.1奈米、微孔缺陷 (Micropipe) 密度小于每平方公分0.06个晶圆,目前正朝商业化量产的目标前进。

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

SiC市场应用范畴

SiC的宽能隙 (Band Gap) 比现有Si (硅) 的能隙宽度宽3倍以上,可承受10倍以上的电压,SiC的低损耗、高功率特性适用在高电压与大电流的应用场域,包含电动车、电动车充电基础设施、太阳能以及离岸风电等绿能发电设备。第三代半导体材料SiC较传统Si,能降低50%电能转换损耗、降低20%的电源转换成本,还能提升电动车4%的续航能力。

目前的电动车主要是200V-450V的电池动力系统,更高阶的车款则将推进到800V的电池动力系统。市场对于延长电池的续航力、增加电池容量,及缩短充电时间等有极大需求,电池将朝高电压800V的方向发展,这使能承受高电压的SiC被寄予厚望。根据意法半导体的观察,只要是800V的电池动力系统,都将会是SiC的市场

SiC能有效解决电动车和绿能设备的高电压需求
SiC能有效解决电动车和绿能设备的高电压需求

数据源:

侯冠州 (2021年01月20日8:31);2021 电车袭来》电动车加足马力向前冲,碳化硅、氮化镓商机来势汹汹;科技新报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 电车袭来》全球主要电动车市场分析:2021 成长 40%,总销量超越三百万辆;科技新报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与GaN组件抢上EV当「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);第三代半导体SiC发展应用于电动车;

科技产业信息室 (iKnow) (2021/05/17);取自https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=17447

王郁伦 (2020年11月19日);2035年燃油车大限!童子贤:6兆美元汽车产业将脱胎换骨,台湾无穷机会!;数位时代 (2021/05/20),取自https://www.bnext.com.tw/article/60159/th-pegatron-ev-2035