什么是第三代半导体?一文看懂车用、通信、充电通吃的杀手级应用

2021-04-14 11:29:15 来源:来源:财讯(台) 作者:林宏达
▲第三代半导体应用商机起飞,通信、充电、车用三方通吃。
 
第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题,不只中国大陆想要这个技术,从欧洲、美国到中国台湾,所有人都在快速结盟,想在这个机会里分一杯羹。为什么第三代半导体这么火热?它的应用与商机在哪里?
 
过去30年,台积电、联电擅长制造的逻辑IC,基本上都是以硅做为材料的。但硅也有一些弱点,如果用门做比喻,用硅做的半导体,就像是用木头做的木门,轻轻一拉就能打开(从绝缘变成导电)。
 
而第2代或第3代化合物半导体就像是铁门,甚至金库的大门,需要很大的力气,要施加大的电压,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,或是在信号的转换速度上,第3代半导体都优于传统的硅。
 
目前,坊间所称的第2代半导体,指的是砷化镓、磷化铟这两种半导体材料,「这是1980年代发展出来的技术。」而现在所称的第3代半导体,指的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种材料,「这是2000年之后才开始投入市场的新技术」。
 
尤其,第3类半导体并不好做,以通信芯片为例,要按照不同的通信需求,选择不同的材料,在原子等级的尺度下精确排好,难度有如给你各种不同形状的石头,堆出一座稳固的高塔,谁能用这些材料,生产出更省电、性能更好的晶体管,就是这个市场的胜利者。
 
目前,第3代半导体有3个主要应用市场。
 
应用1:射频通信如5G、卫星通信
 
第1,是将氮化镓材料用来制作5G射频通信的材料(简称RF GaN)。过去20年,许多人想用成熟的硅制程,做出可以用在5G射频通信上的零组件。
 
最有名的是高通在2013年推出的RF 360计划。当时,市场上的担心,高通这项新技术推出之时,就是生产通信用化合物半导体制造商的「死期」,稳懋股价还曾因此重挫。
结果,高通生产出来的硅芯片非常烫,完全没办法用在手机上;后来,连高通都回头跟稳懋下单。业界人士观察,通信会愈来愈往高频发展,未来射频通信芯片都是化合物半导体的天下,这个领域也是化合物半导体制造毛利率最高的部分,像稳懋和宏捷科的毛利都在3~4成。
 
应用2:低电压的电源供应器
 
第2个市场,是用氮化镓制造电源转换器(简称Power GaN),这是目前最热门的领域。过去生产相关产品,最难的部分是取得碳化硅的基板,一片6吋的圆片,要价高达2800美元,而如今已经完成了芯片刻录(5纳米)的12吋的硅晶圆,最贵的仅1600美元。
 
但近几年,市场上开始出现将氮化镓堆叠在硅基板上的技术(GaN on Si)。这种技术大幅降低化合物半导体的成本,用在生产处理数百伏特的电压转换,可以做到又小又省电。目前市面上已经可以看到,原本便当大小的笔电变压器,已经能做到只有饼干大小,OPPO、联想等公司,更积极要把这种技术内建在高端手机和笔记本电脑里。
3月1日,野村证券发表题为「A GaN Changer」的产业报告,认为未来2~3年,第3代半导体将重塑全球消费性电源市场,取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估,2023年,这个市场产值每年将以6成以上速度成长。第3代半导体能源转换效率能达到95%以上,一旦被大幅采用,「台湾地区能省下一座核能电厂的电」。
 
应用3:高电压的汽车电源
 
第3个市场则是碳化硅供电芯片(SiC)。碳化硅材料的特殊之处在于,如果要转换接近1000伏以上的高电压,就只有碳化硅能做到这样的要求;换句话说,如果要用在高铁上,用在转换风力发电,或是推动大型的电动船、电动车,用碳化硅都能做得更有效率。
 
第3代半导体是未来各国抢占电动车、新能源,甚至国防、太空优势,不能忽视的关键技术,谁在这个领域领先,谁就能在这个领域胜出。

 

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