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什么是第三代半導體？一文看懂車用、通信、充電通吃的殺手級應用

2021-04-14 11:29:15 來源：財訊（臺）作者：林宏達

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▲第三代半導體應用商機起飛，通信、充電、車用三方通吃。

第三代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，不只中國大陸想要這個技術，從歐洲、美國到中國臺灣，所有人都在快速結盟，想在這個機會里分一杯羹。為什么第三代半導體這么火熱？它的應用與商機在哪里？

過去30年，臺積電、聯電擅長制造的邏輯IC，基本上都是以硅做為材料的。但硅也有一些弱點，如果用門做比喻，用硅做的半導體，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）。

而第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、射頻信號，或是在信號的轉換速度上，第3代半導體都優于傳統的硅。

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。」而現在所稱的第3代半導體，指的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）這兩種材料，「這是2000年之后才開始投入市場的新技術」。

尤其，第3類半導體并不好做，以通信芯片為例，要按照不同的通信需求，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、性能更好的晶體管，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。

應用1：射頻通信如5G、衛星通信

第1，是將氮化鎵材料用來制作5G、射頻通信的材料（簡稱RF GaN）。過去20年，許多人想用成熟的硅制程，做出可以用在5G 射頻通信上的零組件。

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

結果，高通生產出來的硅芯片非常燙，完全沒辦法用在手機上；后來，連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察，通信會愈來愈往高頻發展，未來射頻通信芯片都是化合物半導體的天下，這個領域也是化合物半導體制造毛利率最高的部分，像穩懋和宏捷科的毛利都在3~4成。

應用2：低電壓的電源供應器

第2個市場，是用氮化鎵制造電源轉換器（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硅的基板，一片6吋的圓片，要價高達2800美元，而如今已經完成了芯片刻錄（5納米）的12吋的硅晶圓，最貴的僅1600美元。

但近幾年，市場上開始出現將氮化鎵堆疊在硅基板上的技術（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，已經能做到只有餅干大小，OPPO、聯想等公司，更積極要把這種技術內建在高端手機和筆記本電腦里。

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，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。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。第3代半導體能源轉換效率能達到95%以上，一旦被大幅采用，「臺灣地區能省下一座核能電廠的電」。