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懶人包》什麼是第三代半導體?一文看懂車用、通訊、充電通吃的殺手級應用

2021-04-20
作者: 林宏達

▲第三代半導體應用商機起飛,通訊、充電、車用三方通吃。

第3代半導體是目前高科技領域最熱門的話題,不只中國想要這個技術,從歐洲、美國到台灣,所有人都在快速結盟,想在這個機會裡分一杯羹。為什麼第三代半導體這麼火熱?它的應用與商機在哪裡?

過去30年,台積電、聯電擅長製造的邏輯IC,基本上都是以矽做為材料。但矽也有一些弱點,如果用門做比喻,用矽做的半導體,就像是用木頭做的木門,輕輕一拉就能打開(從絕緣變成導電)。

用第2代或第3代化合物半導體就像是鐵門,甚至金庫的大門,需要很大的力氣,要施加大的電壓,才能讓半導體材料打開大門,讓電子通過。因此,要處理高電壓、高頻訊號,或是在訊號的轉換速度上,第3代半導體都優於傳統的矽。

目前,坊間所稱的第2代半導體,指的是砷化鎵、磷化銦這兩種半導體材料,「這是1980年代發展出來的技術。」拓墣產業研究院分析師王尊民說,現在所稱的第3代半導體,指的是氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)這兩種材料,「這是2000年之後才開始投入市場的新技術」。

尤其,第3類半導體並不好做,以通訊晶片為例,要按照不同的通訊需求,選擇不同的材料,在原子等級的尺度下精確排好,難度有如給你各種不同形狀的石頭,堆出一座穩固的高塔,誰能用這些材料,生產出更省電、性能更好的電晶體,就是這個市場的勝利者。

目前,第3代半導體有3個主要應用市場。

第三代半導體應用1》高頻通訊如5G、衛星通訊

第1,是將氮化鎵材料用來製作5G、高頻通訊的材料(簡稱RF GaN)。過去20年,許多人想用成熟的矽製程,做出可以用在5G高頻通訊上的零組件。

最有名的是高通在2013年推出的RF 360計畫。當時,市場上的擔心,高通這項新技術推出之時,就是生產通訊用化合物半導體製造商的「死期」,穩懋股價還曾因此重挫。

結果,高通生產出來的矽晶片非常燙,完全沒辦法用在手機上;後來,連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察,通訊會愈來愈往高頻發展,未來高頻通訊晶片都是化合物半導體的天下,王尊民觀察,這個領域也是化合物半導體製造毛利率最高的部分,像穩懋和宏捷科的毛利都在3~4成。

第三代半導體應用2》低電壓的電源供應器

第2個市場,是用氮化鎵製造電源轉換器(簡稱Power GaN),這是目前最熱門的領域。過去生產相關產品,最難的部分是取得碳化矽的基板,採訪時,陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼拿出一片碳化矽基板給我們看,這一片6吋寬的圓片,要價高達8萬元台幣。

但近幾年,市場上開始出現將氮化鎵堆疊在矽基板上的技術(GaN on Si)。這種技術大幅降低化合物半導體的成本,用在生產處理數百伏特的電壓轉換,可以做到又小又省電。目前市面上已經可以看到,原本便當大小的筆電變壓器,已經能做到只有餅乾大小,OPPO、聯想等公司,更積極要把這種技術內建在高階手機和筆電裡。

3月1日,野村證券發表題為「A GaN Changer」的產業報告,認為未來2~3年,第3代半導體將重塑全球消費性電源市場,取代用矽製作的IGBT電源管理晶片。野村證券報告預估,2023年,這個市場產值每年將以6成以上速度成長。張翼也認為,第3代半導體能源轉換效率能達到95%以上,一旦被大幅採用,「台灣能省下一座核能電廠的電」。

第三代半導體應用3》高電壓的汽車電源供應器

第3個市場則是碳化矽供電晶片(SiC)。碳化矽材料的特殊之處在於,如果要轉換接近1000伏特以上的高電壓,就只有碳化矽能做到這樣的要求;換句話說,如果要用在高鐵上,用在轉換風力發電,或是推動大型的電動船、電動車,用碳化矽都能做得更有效率。

第3代半導體是未來各國搶占電動車、新能源,甚至國防、太空優勢,不能忽視的關鍵技術,誰在這個領域領先,誰就能在這個領域勝出

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