三五族系列1》一文看懂第三代半导体

各国及晶圆国际大厂的竞争白热化，都想成为第三代半导体的领导者，不断扩张版图。(示意图/Shutterstock)

随着5G、电动车、星链计划的起飞，以氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)为代表的第三代半导体快速崛起，竞争趋于白热化，已经成为美、中、欧、日等大国，以及国际IDM大厂角力重点。究竟它们有何魔力，成为投资界的当红炸子鸡？

三代半导体比一比

还记得化学元素周期表吗？横行称为周期，纵列称作族。现在最夯的三五族半导体就是元素周期表中，第三族和第五族形成的化合物，种类很多，例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓、碳化矽等。

而半导体顾名思义是导电能力介于导体及绝缘体之间的材料，从应用进程来划分，可分为第一代、第二代及第三代。大家耳熟能详的半导体晶圆、晶片的材料几乎由第四族的矽(Si)组成，是第一代半导体材料，在积体电路领域不可撼动，主要应用在运算、储存、感测上。

第二代半导体材料则是以砷化镓、磷化铟等为代表，在资料传输扮演神经运输的角色，例如运用于手机及基地台功率放大器；第三代半导体则是以碳化矽、氮化镓、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽能隙半导体材料，具备高速、抗高温高压的特性，应用层面涵盖车用二极体、5G、人造卫星、军工国防等。所以，三五族涵盖了第二代及第三代，是目前固态照明、光电及通讯产业相当重要的半导体材料。

财讯报导曾做出比喻，过去30年，台积电、联电擅长制造的逻辑IC，主要以矽为材料，但有其弱点，以门为比喻，用矽做的半导体，如同木门，一拉就能打开(从绝缘变成导电)。第二代或第三代半导体就像铁门或金库大门，需要很大力气，施加大的电压，才能让半导体材料打开大门，让电子通过。

因此，要处理高电压、射频信号，或信号转换速度，第三代半导体都优于前两代，开辟了广阔的应用前景。尤其是氮化镓、碳化矽最受到市场注目，这两种材料应用领域稍有不同，目前氮化镓多用于电压900V以下之领域，例如充电器、基地台、5G 通讯等产品；碳化矽则用于电压超过1200V，例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿能发电设备。

第三代半导体面临成本高、产能低两大考验

第三代半导体复杂的制造流程、高昂的原材料、技术要求等，大幅提高量产难度，进一步擡高了成本。以碳化矽为例，成本仍是打开市场的关键，因为碳化矽基板制造困难，技术多掌握在美国科锐(Cree)、II-VI、罗姆半导体(ROHM)、英飞凌(Infineon)、意法半导体(STM)、三菱电机(Mitsubishi)、富士电机(Fuji Electric)等国际少数大厂手上，使得成本居高不下。

这些国际大厂主要以生产6吋碳化矽基板为主流，并开始商业化，同时随着技术不断突破，明(2021)年可望大举开出8吋基板产能。台厂则以4吋为主，6吋晶圆技术尚未规模化生产。不过，根据CASA统计，碳化矽价格近几年快速下降，2020年较2017年下降五成以上。未来，随着晶片品质提高、8吋产线规模化生产，可望显现成本降低效应，推进碳化矽元件和模组普及。

除了成本关卡，产能也是问题所在，眼下全球碳化矽晶圆年产能约在40-60万片，远不能满足电动车、智慧物联网等下游市场强劲的需求，供给端成为碳化矽发展的关键因素之一，技术优势带来的稳定产能，将成为厂商重要的竞争力。

第三代半导体竞争白热化

尽管第三代半导体仍在初发展阶段，但各国及晶圆厂的竞争早已白热化，都想成为第三代半导体的领导者，不断扩张版图。

罗姆半导体率先扩产，日本福冈的专门工厂已在今年1月落成，预计2022年正式量产，并以2025年夺下全球30%碳化矽晶圆市占率为目标。除此之外，还有企业透过合作、合并等手段实现版图扩张，例如科锐与意法半导体扩大现有6吋SiC晶圆供应协议，金额超过8亿美元。安森美以4.15亿美元收购碳化矽供应商GTAT；联电、鸿海则分别透过携手封测厂、收购晶圆厂，切入第三代半导体。

除了半导体厂商的大动作之外，第三代半导体发展的另一大催化剂便是电动车，龙头特斯拉一马当先，Model 3车型搭载了以24个SiC-MOSFET为功率模组所构成的逆变器；中国的比亚迪、蔚来、吉利也紧随在后开始布局。市场认为，受惠于电动车发展，2021年碳化矽可望进入放量元年。