新思科技(Synopsys)近日宣佈，工研院(ITRI)已採用其 TCAD Sentaurus 模擬軟體以支援其在碳化矽(silicon carbide，SiC)半導體元件的研究開發。TCAD Sentaurus具備有精確的建模(modeling)技術，讓工研院得以藉由此技術對元件本身之電熱物理性質進行詳盡的模擬，以加速其碳化矽功率元件(power device)的開發。
碳化矽乃一種寬能隙(wide bandgap)的半導體，其卓越的電流電壓及高導熱特性適用於功率元件領域。過去十年來，碳化矽蕭特基二極體(SiC Schottky barrier diode)已廣泛為業界所利用，而針對油電混合車、智慧電網(smart grid)及其他創新電力裝置應用之新一代碳化矽元件的開發也正積極展開中。工研院目前正著手於各式功率元件的開發，以因應日漸提升的電氣汽車及太陽能電池陣列的市場需求。
工研院電光所副所長高明哲表示，由於汽車及能源配置等領域對於節能增效的電源開關之需求提升，使得碳化矽元件的市場發展蓬勃，而新思科技TCAD Sentaurus軟體可提供務實的方式進行元件電熱效能的模擬，這樣的功能不但有助於了解新開發元件的性質，同時也能協助達到元件特性的最佳化，以滿足市場需求。
TCAD Sentaurus 系列產品包含了探究和優化矽晶(silicon)及化合物半導體(compound semiconductor)技術所需使用到的2D和3D製程以及元件模擬工具，該工具可執行針對碳化矽模擬的模型。
新思科技資深副總裁暨矽晶工程事業群總經理柯復華表示：「電子產品應用日益複雜，新元件架構及材料也必須不斷地創新，而功率元件(power devices)就整體半導體市場而言是發展相當快速的領域，藉由支援新元件的設計及達成最佳化，TCAD模擬技術可協助加速碳化矽的商用佈署。身為半導體研發的領導者，工研院對於新思科技產品的採用不啻肯定了新思TCAD模擬工具為碳化矽元件開發所帶來的價值。」
工研院(ITRI)稍早前宣佈，與世界先進、車王電、漢民、光磊等20家磊晶、元件設計、製造、封測、驗證及系統業者，共同組成了「寬能隙電力電子研發聯盟」，將攜手開發寬能隙的化合物半導體元件技術產品，為台灣建立上游自主的電力電子產業鏈，為電動車、智慧電網(Smart Grid)等綠能產業奠基。
隨著能源科技的日新月異，動力與電力需求愈來愈大，改善電能使用效率的電子電力技術已成為全球半導體矚目的新興科技！傳統的矽晶半導體元件正面臨效率提升困境，高效率的寬能隙(Wide Bandgap)碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)化合物半導體元件正崛起成為發展主流。
在各種電力電子技術中，功率半導體元件扮演著非常關鍵的角色，其效能直接影響了整個系統的功率轉換效率。目前大多使用傳統矽(Si)為材料製作電力電子元件，為窄能隙的電力電子元件，往往無法達到高效率使用。碳化矽具有寬能隙特點，可耐高壓、承受大電流，同時也具有高導熱特性，散熱快，可大幅減少散熱裝置，元件體積小；高融點，能承受400℃以上高溫，適合應用在高溫操作的功率元件領域，是目前新興的高效率電力電子技術。
工研院詹益仁所長表示，電力電子技術具有整合特質，產品應用範圍廣泛，更與日常生活息息相關，如電動車輛、磁浮車、再生能源系統、智慧電網等分散式能源系統，及智慧家電如變頻空調、洗衣機等之應用，具有廣大的市場發展機會。目前市面上產品多採用矽材料製作電力電子元件，但碳化矽具有高電壓、高電流、體積小等特點，被視為是電力電子技術元件的明日之星，非常適合高功率的應用。近年來隨著應用產品多樣，價格降低等因素影響，需求也隨之大幅增加，依據工研院IEK預測，2019年碳化矽材料的電力電子元件將達到18.3億元美元市場規模，呈現陡直快速成長曲線，是一極具發展潛力的技術。
寬能隙電力電子研發聯盟目前已有茂達電子、廣鎵光電、富鼎先進、茂矽、尼克森微電子、穩懋半導體、矽英科技、車王電子、嘉聯益、光磊科技、漢民科技、璟茂科技、台灣半導體、合晶科技、台灣威科、同欣電子、晶電、中科院、台灣大學、世界先進等20家廠商率先加入，目前仍積極邀請磊晶、元件設計、製造、封測、模組驗證及系統應用產業共同投入，以推動碳化矽材料的電力電子技術應用為主，開啟碳化矽技術的上中下相關產業合作關係，共同開創台灣在電力電子產業新紀元。
寬能隙電力電子研發聯盟初期將由工研院主導，建置碳化矽實驗室，與會員廠商針對特定技術，進行碳化矽技術的高功率基板材料、磊晶、元件製程、模組與驗證等技術開發。預計3年後達到應用模組階段，投入電動車、太陽光電、分散式能源與變頻空調等功率元件產品應用開發，期望透過聯盟運作，帶動電力電子產業資源整合，建立自主關鍵技術，建構完整產業鏈，提升台灣電力電子產業國際競爭力。
工研院指出，目前市面上產品的電力電子多採用氮化鎵之類的矽材料製作，工研院因長期投注LED技術研發，具有深厚的矽基氮化鎵技術(GaN on Si)磊晶技術基礎，在成立寬能隙電力電子研發聯盟同時，也將同步透過政府業界科技專案輔助，利用現階段產業廣泛使用的矽晶片製程設備，邀集廠商投入相關氮化鎵技術開發，建立台灣矽基氮化鎵之自主技術，率先搶佔在電動車輛。
高效率的寬能隙(Wide Bandgap)碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)化合物半導體元件技術
一維氮化鎵奈米線(1-D GaN Nanowires)元件製作
現今光電半導體材料中，應用最廣泛的莫過於週期表中三、五族化合物材料。其重要性相當於矽單晶於積體電路中的地位；而目前常用的三五族材料有：
（1）InP(磷化銦)系列：其發光範圍為紅外光波段，約1.3～1.5μm(微米)，通常用來作為光纖通訊元件的材料。
（2）GaP(磷化鎵)及GaAs(砷化鎵)系列：通常用於紅、黃、綠可見光波段顯示器的材料。
（3）GaN(氮化鎵)系列：其發光波段為藍綠光至紫外光，目前為白光LED的關鍵材料。
其中以藍光二極體(GaN-Based LED)的發展最被重視，主要的原因有以下四點：
(一)全彩顯示器的開發：由於台灣在LED產業其實早有基礎，因此目前市面上紅光、綠光、橙光及黃光發光二極體的銷售已相當普及，所以對於氮化鎵之藍綠光LED的需求自然是相當迫切的。但是由於藍光及綠光之發光二極體卻仍處於研發階段，因此若欲達到顯示器實用程度之高效率且高亮度，則必須以氮化銦鎵／氮化鎵／氮化鋁鎵為基礎材料，來研製高亮度的藍、綠光發光二極體。輔以原有之紅、黃光發光二極體，則可達成全彩顯示器之研製目標。特別是近年來由於全彩顯示器的蓬勃發展，如大型戶外顯示看板或家用全彩顯示器，更使得高亮度藍色或綠色LED儼然已成為現今LED產業的當紅炸子雞。因此顯而易見的是，目前全彩LED顯示器的技術瓶頸仍在於藍、綠光發光二極體上，所以各國無不競相投注大量的資金與研發人才在這塊領域之上。
(二)取代傳統信號燈：由於LED商品具有耐震性、低耗電、壽命長、發熱小…等等優點。因此其應用範圍相當廣泛，舉凡如家電製品信號燈以及儀器或車用指示燈等。特別是傳統燈泡式交通號誌燈的取代，更是省電且環保的好範例。
(三)取代傳統光碟的紅光雷射讀寫頭：由於目前廣泛應用於光碟的雷射讀頭，仍是屬於長波長之紅光雷射讀寫頭為主。因此若能將藍色發光二極體的技術稍加改良，即可進一步研製出高功率之藍光半導體雷射。如此一來便能利用此種短波長藍光半導體雷射，來取代目前光碟機所使用的紅光半導體雷射，便能增大光碟記錄容量的三倍以上，而這也將開啟光儲存媒體的新紀元。最近一年已有藍光半導體雷射的光碟機問世，不過價格仍偏高，因此尚有進步的空間。
(四)白光LED的開發：目前第一個白光LED由日本日亞化學公司所研發出來，其LED是以藍光發光二極體晶片為基礎，加上釔鋁石榴石黃光螢光粉，再利用藍光激發黃色螢光粉產生黃光，將藍黃混合之後可形成白光。而白光發光二極體的優點相當多，例如壽命長、省電(耗電量為傳統燈泡的1/8，日光燈之1/2)、低壓驅動、安全又具環保效果….等。因此許多歐美科學家都將白光LED視為二十一世紀的新照明光源。
現今氮化鎵藍、綠光二極體的發展看來，雖然在生產發光二極體(LED)時，通常是以Al2O3藍寶石(Sapphire)或是SiC碳化矽為發光二極體的基材。但是由於藍寶石及碳化矽基板相較於矽基板而言，顯得相當地昂貴且在LED元件製作上也不易。因此以業界的生產角度而言，將矽基半導體導入LED製程是將業界的首選目標。然而由於氮化鎵的晶格常數(c=0.51862nm)與矽的晶格常數(a=0.5432nm)相差太大，因此目前許多研究學者常利用氮化鋁(c=0.51718nm)緩衝層的引入，來降低因為晶格不匹配所造成的的應力問題。雖然目前於矽晶圓上成長高品質之氮化鎵LED元件仍有許多問題，但光電半導體與矽基半導體的結合，將成為二十一世紀科技界的主流。
近幾年來由於一維奈米線的蓬勃發展，使得傳統元件(二維薄膜製程元件)在尺寸縮小化的壓力之下，已漸漸地朝向材料低維度化的目標邁進。而近年來有關三族氮化物奈米線的發展，主要是以美國哈佛大學化學系教授Charles M. Lieber與柏克萊大學加州分校教授PeiDong Yang所領導的研究團隊做的最多。
參考文獻：
1. Weiqiang Han, et al., Science (1997) vol. 277, 29
2. Joshua Goldberger, et al., Nature (2003) 422, 10
3. Chia-Chun Chen, et al., Adv. Mater. (2000) 12, 10
4. Xiangfeng Duan, et al., J. Am. Chem. Soc.( 2000) 122, 188-189
5. Hwa-Mok Kim, et al., Adv. Mater. (2002) 14, 13-14
6. Duan, X. F., et al., Nature (2001) 409, 66
7. Doo Suk Han, et al., APPLIED PHYSICS LETTERS (2005) 86, 032506
8. Gudiksen, M., et al., Nature (2002) 415, 617
9. Lauhon, L., et al., Nature (2002) 420, 57
留言列表
生技醫療產業 (1)