搞懂第三代半导体与前两代的差异关键，不同世代半导体的消长与共存

随着全球进入 IoT、5G、绿能、电动车时代，能彻底展现耐高压、高温、高频能耐，并满足当前主流应用对高能源转换效率要求的宽能隙（Wide Band Gap，WBG）半导体开始成为市场宠儿，半导体材料于焉揭开第三代半导体新纪元的序幕。 

打从全球第一颗晶体管于1940 年代问世后，发展已久的半导体产业开始有如神助般地蓬勃发展。我们从“硅谷”的名称就可大致推断第一代半导体的主流材料是硅（Si），事实上，1950、60 年代晶体管所采用的半导体材料多半是锗（Ge），但由于锗容易引发热失控，随后逐渐被硅取代，进而造就了微电子产业的全面发展。

▲ 2 吋、4 吋、6 吋到 8 吋等尺寸硅晶圆。（Source：See page for author, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons）

自从 1970 年贝尔实验室发明了室温半导体激光之后，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主的三五族化合物半导体一跃成为市场主角。比起已达物理极限的硅基半导体元件而言，砷化镓与磷化铟拥有超高的电子迁移率，并具备高频、低噪声、高效率及低耗电等特性，整个半导体产业因而进入了以这两种材料为主的第二代半导体时代，并为今后的微波射频通讯半导体发展奠立厚实的基础。

▲ 透过 LEC 液封直拉法或 VGF 垂直梯度凝固生长方法所制造的半绝缘和半导体砷化镓芯片及锭。（Source：CMK）

为了因应 5G 高频应用，并满足绿能与 EV 电动车等高压、大电流及高能源转换效率的需求，氮化镓（GaN）与碳化硅（SiC）等宽能隙半导体开始崭露头角。由于半导体材料的能隙愈宽，其耐高频、高压、高温、高功率及高电流的能耐也愈强，并极具高能源转换效率与低能耗的特性，这样的特性正好满足现行 IoT、5G 及电动车等最新应用的需求。身为新旧世代半导体材料分水岭的两款宽能隙半导体，已然成为各国下一阶段的重点发展目标，业界甚至有“得碳化硅基板（衬底）者将得天下”的说法，由此可见，全球第三代半导体大战不但已然全面开打，甚至已趋白热化的地步。

尽管第三代半导体在效能上有更好的表现，但一来其技术门槛更高，一来并非所有电子元件及技术应用都需要如此高的效能，所以第三代半导体并不会完全取代前两个世代，在经过一番汰旧换新后，原则上，三个世代会在不同领域各自扮演重要的角色。基本上，第一代会以应用在电脑及消费性电子上的逻辑 IC、内存 IC、微元件 IC 及类比 IC 为主，第二代会着墨在手机通讯领域之射频芯片上，第三代的最大驱动力来自于 5G、IoT、绿能、电动车、卫星通讯及军事等领域，并以高频率的射频元件及高功率的功率半导体元件为应用大宗。其中，5G 和电动车被视为是加速第三代半导体发展的最大促因与动力。

兵分 GaN-on-SiC 及 GaN-on-Si 二路，抢攻 5G 大饼

首先就 5G 而言，今后不论是 Sub-6（6GHz以下频段）或 mmWave 毫米波（24GHz 以上频段）的基础设施布建都需要大量的天线、射频元件及基地台，这正是 GaN 发挥自身高频、高功率、大带宽、低功耗与小尺寸等优势的最佳用武之地。

根据市调公司 Yole Developement《GaN RF Market: Applications, Players, Technology, and Substrates 2021》报告指出，全球 GaN 射频元件市场将从 2020 年的 8.91 亿美元（约新台币 249 亿元），成长至 2026 年的 24 亿美元（约新台币 670.7 亿元），年复合成长率（CAGR）达 18%。

整个射频 GaN 半导体产业的发展皆始于碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）技术，历经 20 多年的发展，它已成为硅基横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）及 GaAs 的主要竞争对手。自从 2020 年，NXP 恩智浦半导体在美国亚利桑那州开设全球第一座 6 吋 GaN-on-SiC 晶圆厂开始，GaN-on-SiC 或 SiC 晶圆便开始加速从 4 吋转移到 6 吋的脚步。

日前，鸿海以 25.2 亿买下旺宏 6 吋晶圆厂，布局 SiC 晶圆制造，便是搭上这股顺风车，不过，鸿海欲藉以跨入电动车应用领域，关于 SiC 应用于电动车的部分，文后会有进一步探讨。回归 5G 基地台及卫星通讯方面的应用实例，尚有长居 GaAs 代工龙头之位的稳懋，该公司不仅扩充 GaN-on-SiC 产能并处于稳定出货的状态。除此之外，全新、环球晶及环宇-KY 皆有这方面的布局之举。据 Yole Development 预估，GaN-on-SiC 元件市场，将从 2020 年的 3.42 亿美元（约新台币 95.57 亿元）成长至 2026 年的 20.22 亿美元（约新台币 565 亿元），CAGR 达 17%。

▲ Wolfspeed / Cree GTVA 高功率 RF GaN on SiC HEMT。（Source：Mouser）

除了锁定基地台高频部分的 GaN-on-SiC 之外，GaN 半导体还会朝向专门满足基地台中低频产品需求的硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术发展，由于该技术具备较宽带宽与小尺寸的优势，所以很有可能成为今后 Sub-6 5G 智能手机的首选技术。

GaN 快充与车用 SiC 元件齐发功，第三代半导体一飞冲天两大催化剂

另一个带动第三代半导体发展的应用，莫过于功率半导体元件（又称 Power Electronics 电力电子元件）。在 5G 电信、消费性电子及新能源车（New Energy Vehicle，NEV）的推波助澜下，市场对于电信基地台、转换器及充电站的需求大增，进而带动 GaN 功率元件与 SiC 功率元件的成长。

根据市场研究机构 TrendForce 集邦科技的调研显示，2021 年 GaN 功率元件营收达 8,300 万美元（约新台币 23.2 亿元），YoY 年增率为 73%，到了 2025 年营收突破 8.5 亿美元（约新台币237.87 亿元），CAGR 达 78%。消费性电子（60%）、新能源车（20%）及电信/资料中心（15%）会成为 GaN 功率元件的三大应用领域。此外，Yole 则预估 2025 年 GaN 功率元件市场会超过 6.8 亿美元（约新台币 190.3 亿元）。

在所有应用中，GaN 快充已然成为推动 GaN 功率元件成长的最大动力之一。当前有许多主流智能手机皆已配备快充功能，例如 Oppo 即为第一家标配 65W GaN 快充（采用 GaN HEMT 高电子迁移率晶体管）的厂商。集邦科技指出，许多笔电制造商也纷纷表达会为自家笔电采用快充的意愿，届时势必进一步带动此一宽能隙材料的市场渗透率。

 ▲ Oppo 50W Mini SuperVOOC Charger。（Source：Oppo）

最后，让我们将焦点放在 SiC 功率元件上，基本上，集邦科技与 Yole 所预估 2025 年该功率元件的营收数字差不多，前者认为将达 33.9 亿美元（约新台币 948.69 亿元，CAGR 为 38%），后者预估数字为 30 亿美元（约新台币 839.55 亿元）。集邦科技指出，新能源车（61%）、太阳能发电/储能（13%）及充电站（9%）成为使用 SiC 功率元件的三大来源。Yole 表示，电动车与 HEV 混合动力车会是现行推升 SiC 功率元件大幅成长最有力的杀手级应用。

 ▲ 英飞凌旗下 CoolMOS（硅 MOSFET 晶体管）、CoolSiC（碳化硅 MOSFET 晶体管）及 CoolGaN（氮化镓 HEMT 晶体管）优劣比较雷达图。（Source：Infineon PDF）

 （首图来源：台积电）