SiC浪潮來了！高效、高速的能源救星誕生了嗎？
當能源危機與氣候變遷壓力越來越大，人類迫切需要更高效率的能源科技。傳統矽晶片在高溫、高壓下效能降低，於是新一代「寬能隙半導體」登場，特別是矽碳化物 (SiC)，它能承受高電壓與高溫，成為電動車、太陽能與資料中心的核心材料。雖然製作困難、成本高，但隨著SiC晶圓量率的提升，2025年全球各大晶圓廠商正開始加速布局 SiC 產線，搶攻高效能電力元件市場。
撰文｜黃鼎鈞
能源危機是全人類共同的課題，當工業仍仰賴化石燃料這種難以再生的資源時，我們不得不問：「能源真的有耗盡的一天嗎？」為了延緩這一天的到來，科學家與工程師們正積極推動能源轉型，讓世界從燃燒走向電氣化，從枯竭走向循環。同時，隨著電動車、太陽能系統、資料中心與高速運算設備的發展，電力轉換的效率成為了促進環保與經濟效益的關鍵議題。然而，傳統以矽 (Si) 為基礎的半導體雖然成熟穩定，但在高電壓、高頻率與高溫環境下效率明顯下降，導致能源浪費與散熱負擔，科學界與產業界因此開始將焦點轉向「寬能隙半導體」(Wide Bandgap Semiconductor, WBG)，氮化鎵 (GaN) 與矽碳化物 (SiC) 成為「矽」之後的明日之星，它們能在更高電壓與溫度下運作，同時大幅降低能量損失，使科技設備邁向更高效能的未來。
「能隙」(bandgap) 代表電子從價帶躍遷到導帶所需的能量，能隙越寬，材料在高電壓與高溫環境下越能保持穩定。換言之，若能隙太窄，電子容易在微小能量擾動下被激發，導致材料在高溫或高電壓環境中漏電嚴重、效率降低，甚至失去穩定性。以實際材料為例，主流電子元件使用的矽，其能隙約1.1 eV，而屬於寬能隙半導體的碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 則分別有3.2 eV與3.4 eV。這樣的差異讓寬能隙半導體能承受約十倍於矽的電場強度，因此在同樣的耐壓條件下，漂移層（drift layer，就像承受電壓的緩衝墊）可以設計得更薄，使元件體積更小、效率更高，且由於崩潰電場更高，電子在導電過程中的流動也更順暢，讓能量轉換更有效率、反應更靈敏。
雖然SiC與GaN都屬於寬能隙半導體，但它們的物理特性與應用方向各有優勢，以SiC（特別是4H-SiC）為例，它具有穩定的晶體結構與較少的缺陷，因此能承受更高電場（約3 MV/cm），適合應用於電動車主逆變器、太陽能發電系統與高壓電網，此外，SiC的熱導率約為矽的三倍，能在高達300 ℃的環境下穩定運作，減少散熱需求；相對地，GaN雖然能隙略寬（約3.4 eV），但由於晶體結構不同、缺陷較多，實際崩潰電場約為2-2.5 MV/cm，較不適合超高電壓應用。
SiC的發展仍面臨幾項挑戰。由於SiC比矽更硬，加工與切割極為困難，容易造成損耗與成本上升，此外，它的表面氧化層成長速度非常慢，而這層氧化層的角色，就像控制閘門的玻璃門一樣，負責控制電子流動，要讓氧化層品質穩定，必須在高溫下長時間生長，但高溫又會讓晶體產生缺陷，因此製程條件難以平衡，導致晶圓良率不易提升、成本偏高；另一項挑戰是SiC的短路耐受性較低，這是因為它的導通電阻低、電流密度高但熱容量小，當電流瞬間暴增時，熱量來不及擴散，會造成局部過熱而損壞，相較之下，矽與GaN在這方面表現略佳：矽的漂移層較厚、熱容量大，能暫時吸收更多熱量；而GaN的導電密度較低，熱集中效應也稍微緩和。
由於『電動化與節能』的全球浪潮，2025年SiC又再度成為產業焦點，電動車、快充與再生能源市場的快速成長，使高效能功率元件成為各大企業爭相投入發展。同時，8吋SiC晶圓製程的突破使得成本下降、良率提升，這得益於外延層厚度與摻雜控制更精準、缺陷檢測技術進步，以及晶圓生長方式改善，減少了位錯與缺陷，這些技術進步讓每片晶圓能切割出更多可用元件，使SiC能進入更多市場。
隨著技術的演進與材料理解的深化，SiC正逐漸從小眾市場走向主流，未來，我們將會看到充電更快的電動車、能源損耗更低的資料中心與更高效的綠能系統，使我們的科技再登另一個巔峰。
參考文獻
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- 黃鼎鈞，2024 年，《氮化鎵 (GaN) 有什麼厲害的？》，CASE 報科學