2021-06-25
晶片新戰場開打！第三代半導體瞄準3大市場！普及應用遙遙無期全因一個障礙？
在電動車抬頭的時代下，市場不但對鋰電池正極材料的需求急增，連帶第三代半導體亦備受追捧，近期已成高科技界的熱門話題，從亞洲、美國到歐洲，不少科技巨擘已在積極備戰，銳意搶攻這個新興市場。究竟甚麼是第三代半導體？跟現正鬧晶片荒的第一代半導體有何差別？除電動車外，它還有甚麼潛在應用和商機呢？
第三代半導體不優於第一代
製作晶片的半導體材料經歷了3個階段的技術演變：第一代半導體採用矽（Si）、鍺（Ge）等化學元素為材料；第二代半導體材料使用砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為原料，這是1980年代研發出來的技術；第三代半導體則以氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等化合物製成，2000年後始投入市場使用。
碳化矽擁有寬能隙、熱傳導率快、擊穿電場強度大、電子飽和移動速度快等特點，所以在嚴苛環境下都能保持正常操作。（圖片來源：Infineon官網）
在一般人心目中，後一代技術必然優於前一代技術，譬如第五代流動通訊網絡5G的傳輸速度，便比第四代的4G為高。可是，在半導體材料領域裡，第三代半導體並不比第一代優勝，更無法完全取代後者。這是因為各代有其專屬特性，適用於各自專長領域，可說是各擅勝場。
論應用範疇最廣泛的，當然是第一代半導體。英特爾（Intel）、三星（Samsung）、台積電（TSMC）擅長製造的邏輯IC晶片（如CPU、GPU），都是以矽做為材料的第一代半導體。它的優點是製程成熟度高，兼且成本較低，但在高溫、高電壓、高功率、高頻率的操作環境下，矽基半導體現已面臨極限。
碳化矽的熱傳導率比矽高約三倍，可提供更良好的散熱效果，有助降低供電裝置運作期間產生的熱量。（圖片來源：STMicroelectronics）
iPhone已用第二代半導體
相比之下，第三代半導體能夠抵受高電壓與高頻率，在嚴苛環境下都能穩定操作。無論是要處理高電壓與高頻訊號，或是要高速轉換訊號，第三代半導體的表現均遠勝矽晶片。盡管第二代半導體技術上較為成熟，所造晶片也可承受高頻處理，惟卻不耐高電壓。
其實，市面上已有部分手機採用第二代半導體製作的晶片。以iPhone為例，其人臉辨識所用的面射型雷射技術，要求晶片具備可發光、可吸收光的特性，讓第二代半導體材料砷化鎵得以雀屏中選。然而，市場仍是需要一種可同時應付高功率、高頻率的材料，因此第三代半導體變成了熱門選擇。
不過，第三代半導體的製作難度卻較高。譬如要生產通訊晶片，廠商要按照不同的通訊需求，選擇不同的第三代半導體材料，在原子等級的精度下準確排好。其難度之高，有如以不同形狀、大小的石頭，築建一幢穩固的高樓。由是之故，第三代半導體的量產性較低，成本也較高，以致未獲市場大規模採用。
氮化鎵晶片滿足5G高頻需求
現時第三代半導體有3個主要應用範疇，分別是高頻率的通訊器材、低電壓的電源供應器、以及高電壓的車用電源供應器。
當5G技術朝向更高頻段發展，要製作高頻通訊晶片供新型5G基站使用，耐高頻、耐高壓、兼且低耗電的第三代半導體材料氮化鎵，可說是理想之選。但目前氮化鎵晶片的成本仍是偏高，致使在無線網絡基站的滲透率只有3成左右。台灣研究機構工業技術研究院預估，隨著市場對氮化鎵的需求量持續增加，成本有望逐漸降低，到2025年滲透率將會提高至接近5成。
除5G基站外，智能手機也要用高頻通訊晶片。市場研調機構TechInsights指出，在iPhone的成本結構中，通訊晶片所佔的比重愈來愈大，從iPhone 11 Pro的33美元，提高到iPhone 12 Pro的44.5美元，增幅超過3成。另一調研機構 Yole Développement 預測，氮化鎵在高頻通訊晶片市場將會高速成長，年增長率可望達至70%以上。
氮化鎵造出更小巧筆電充電器
另一個熱門應用領域是，使用氮化鎵製作電子消費品的電源供應器。氮化鎵具有體積小、低發熱、高效能的特性，可讓電源裝置內部設計空間大增。近年筆記簿型電腦的充電器之所以變得愈來愈小巧，很大程度上歸功於氮化鎵晶片。
近年市場出現一項將氮化鎵堆疊在矽基板上的新技術，能以更低成本製造出可處理數百伏特電壓轉換的充電器，讓電子消費品可以變得更小巧、更省電。據悉，聯想與OPPO等科技廠商現正積極研究，如何把這種技術內建於高階的筆記簿型電腦與智能手機。
日本最大證券公司野村證券分析指，未來兩、三年內第三代半導體將會取代矽製的IGBT電源管轉換晶片（Insulated Gate Bipolar Transistors），重塑全球消費性電源市場。野村證券預測，及至2023年，此市場產值每年將以60%以上的速度增長。
碳化矽主攻電動車電源供應器
繼電子消費品之後，電動車產業也積極引入第三代半導體，惟所用的材料不再是氮化鎵，而是能夠轉換1,000伏特以上高電壓的碳化矽。2018年，Tesla Model 3已採用意法半導體製造的碳化矽晶片，取代傳統矽製的IGBT電源轉換晶片。
Tesla Model 3早於2018年已使用碳化矽電源轉換晶片，為電動車轉換電能。（圖片來源：Tesla官網）
意法半導體（STMicroelectronics）汽車產品部副總裁Edoardo Merli指出，電動車換上碳化矽晶片，能夠實現更高的能源轉換效率，這樣不但可以提高電池續航力、減少車身負重，更可以提升電動車充電樁的充電效率。
根據另一車用晶片生產商英飛凌（Infineon）提供的數據，同一輛電動車，改用碳化矽晶片後，續航力能夠增加4%。對電動車來說，續航力多寡正是決勝關鍵之一，因此各家車廠已開始積極引入碳化矽技術。
2019 年，法國雷諾-日產-三菱聯盟宣布跟意法半導體結盟，採用由意法半導體獨家供應的碳化矽晶片，製作車載充電器。同年，德國福士集團（Volkswagen）跟美國晶片廠科銳（Cree） 合作，共同研發碳化矽技術；Cree隨後宣布投入10億美元（約78億港元），建立碳化矽晶片生產線。
碳化矽MOSFET模組現已被逐步應用於太陽能、充電、電動車、快速充電站、不斷電系統等領域。（圖片來源：Infineon官網）
台積電具氮化鎵晶片量產能力
全球晶圓代工龍頭台積電在這個領域當然沒有缺席。多年前，台積電從最基礎堆疊不同材料的磊晶技術入手，對第三代半導體展開研究，現已具備氮化鎵晶片的量產能力。2020年，台積電成功開發出支援150伏特與650伏特的兩款矽基板氮化鎵。同年2月，意法半導體宣布跟台積電合作，由台積電為意法生產車用的第三代半導體晶片。
至於消費性電源晶片市場，台積電早已悄悄搶灘。自2014起，台積電已為晶片設計公司納微半導體（Navitas Semiconductor）代工生產氮化鎵電源晶片。踏入2021年，Navitas宣布已售出1,300萬個氮化鎵變壓器，現時每月出貨量為100萬個，當中主要為手機充電器；小米旗艦級手機Mi 11搭配的充電器，內裡的晶片正是由納微供應。
Navitas現為第三代半導體變壓器零件的市場龍頭，市佔率高達５成；換言之，台積電已是這個新興領域的最大幕後玩家。其他晶片製造商如美國科銳、德國英飛凌，以及日本羅姆（ROHM）等，亦已進入量產碳化矽晶片的階段。
隨著各大廠商陸續投入量產，碳化矽、氮化鎵的成本在過去3年已下跌20％至25％，但其價格依然遠高於矽晶圓。現時6吋的矽晶圓價格約20美元，6吋碳化矽則是1,500美元，成為第三代半導體普及應用的最大障礙。業界認為，碳化矽成本至少要降低到750美元，車用碳化矽晶片才有機會全面普及，估計這還要多等5年以上的時間喔！
在第三代半導體研發領域，大部分台灣晶片廠商都選擇跟歐洲半導體公司合作，要求技術轉移，可是台積電卻寧願自己花錢、花時間，從最基礎的材料堆疊技術進行研究。（圖片來源：台積電官網）
目前第三代半導體大都在6吋晶圓設備生產，惟台積電現已能使用8吋設備生產，令生產效率變得更高。（圖片來源：台積電官網）
納微半導體於2021年1月宣布，出貨量創下最新紀錄，已交付逾1,300萬顆氮化鎵電源轉換晶片，其客戶包括：聯想、戴爾（Dell）、小米和OPPO等。（圖片來源：Navitas官網）
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