三五族系列1》一文看懂第三代半導體

各國及晶圓國際大廠的競爭白熱化，都想成爲第三代半導體的領導者，不斷擴張版圖。(示意圖/Shutterstock)

隨着5G、電動車、星鏈計劃的起飛，以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)爲代表的第三代半導體快速崛起，競爭趨於白熱化，已經成爲美、中、歐、日等大國，以及國際IDM大廠角力重點。究竟它們有何魔力，成爲投資界的當紅炸子雞？

三代半導體比一比

還記得化學元素週期表嗎？橫行稱爲週期，縱列稱作族。現在最夯的三五族半導體就是元素週期表中，第三族和第五族形成的化合物，種類很多，例如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵、碳化矽等。

而半導體顧名思義是導電能力介於導體及絕緣體之間的材料，從應用進程來劃分，可分爲第一代、第二代及第三代。大家耳熟能詳的半導體晶圓、晶片的材料幾乎由第四族的矽(Si)組成，是第一代半導體材料，在積體電路領域不可撼動，主要應用在運算、儲存、感測上。

第二代半導體材料則是以砷化鎵、磷化銦等爲代表，在資料傳輸扮演神經運輸的角色，例如運用於手機及基地臺功率放大器；第三代半導體則是以碳化矽、氮化鎵、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)爲代表的寬能隙半導體材料，具備高速、抗高溫高壓的特性，應用層面涵蓋車用二極體、5G、人造衛星、軍工國防等。所以，三五族涵蓋了第二代及第三代，是目前固態照明、光電及通訊產業相當重要的半導體材料。

財訊報導曾做出比喻，過去30年，臺積電、聯電擅長製造的邏輯IC，主要以矽爲材料，但有其弱點，以門爲比喻，用矽做的半導體，如同木門，一拉就能打開(從絕緣變成導電)。第二代或第三代半導體就像鐵門或金庫大門，需要很大力氣，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、射頻信號，或信號轉換速度，第三代半導體都優於前兩代，開闢了廣闊的應用前景。尤其是氮化鎵、碳化矽最受到市場注目，這兩種材料應用領域稍有不同，目前氮化鎵多用於電壓900V以下之領域，例如充電器、基地臺、5G 通訊等產品；碳化矽則用於電壓超過1200V，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠能發電設備。

第三代半導體面臨成本高、產能低兩大考驗

第三代半導體複雜的製造流程、高昂的原材料、技術要求等，大幅提高量產難度，進一步擡高了成本。以碳化矽爲例，成本仍是打開市場的關鍵，因爲碳化矽基板製造困難，技術多掌握在美國科銳(Cree)、II-VI、羅姆半導體(ROHM)、英飛凌(Infineon)、意法半導體(STM)、三菱電機(Mitsubishi)、富士電機(Fuji Electric)等國際少數大廠手上，使得成本居高不下。

這些國際大廠主要以生產6吋碳化矽基板爲主流，並開始商業化，同時隨着技術不斷突破，明(2021)年可望大舉開出8吋基板產能。臺廠則以4吋爲主，6吋晶圓技術尚未規模化生產。不過，根據CASA統計，碳化矽價格近幾年快速下降，2020年較2017年下降五成以上。未來，隨着晶片品質提高、8吋產線規模化生產，可望顯現成本降低效應，推進碳化矽元件和模組普及。

除了成本關卡，產能也是問題所在，眼下全球碳化矽晶圓年產能約在40-60萬片，遠不能滿足電動車、智慧物聯網等下游市場強勁的需求，供給端成爲碳化矽發展的關鍵因素之一，技術優勢帶來的穩定產能，將成爲廠商重要的競爭力。

第三代半導體競爭白熱化

儘管第三代半導體仍在初發展階段，但各國及晶圓廠的競爭早已白熱化，都想成爲第三代半導體的領導者，不斷擴張版圖。

羅姆半導體率先擴產，日本福岡的專門工廠已在今年1月落成，預計2022年正式量產，並以2025年奪下全球30%碳化矽晶圓市佔率爲目標。除此之外，還有企業透過合作、合併等手段實現版圖擴張，例如科銳與意法半導體擴大現有6吋SiC晶圓供應協議，金額超過8億美元。安森美以4.15億美元收購碳化矽供應商GTAT；聯電、鴻海則分別透過攜手封測廠、收購晶圓廠，切入第三代半導體。

除了半導體廠商的大動作之外，第三代半導體發展的另一大催化劑便是電動車，龍頭特斯拉一馬當先，Model 3車型搭載了以24個SiC-MOSFET爲功率模組所構成的逆變器；中國的比亞迪、蔚來、吉利也緊隨在後開始佈局。市場認爲，受惠於電動車發展，2021年碳化矽可望進入放量元年。