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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
來源:EETOP

  

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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」。

  

  應用3:高電壓的汽車電源

  第3個市場則是碳化硅供電芯片(SiC)。碳化硅材料的特殊之處在于,如果要轉換接近1000伏以上的高電壓,就只有碳化硅能做到這樣的要求;換句話說,如果要用在高鐵上,用在轉換風力發電,或是推動大型的電動船、電動車,用碳化硅都能做得更有效率。

  第3代半導體是未來各國搶占電動車、新能源,甚至國防、太空優勢,不能忽視的關鍵技術,誰在這個領域領先,誰就能在這個領域勝出。

 

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