第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题，在 5G、电动车、再生能源、工业 4.0 发展中扮演不可或缺的角色，即使常听到这些消息，相信许多人对它仍一知半解，好比第三代半导体到底是什么？为何台积电、鸿海积极布局？台湾为什么必须跟上这一波商机？对此，本系列专题将用最浅显易懂、最全方位的角度，带你了解这个足以影响科技产业未来的关键技术。
第三代半导体、宽能隙是什么？
讲到第三代半导体，首先简单介绍一下第一、二代半导体。在半导体材料领域中，第一代半导体是“硅”（Si），第二代半导体是“砷化镓”（GaAs），第三代半导体（又称“宽能隙半导体”，WBG）则是“碳化硅”（SiC）和“氮化镓”（GaN）。
宽能隙半导体中的“能隙”（Energy gap），如果用最白话的方式说明，代表着“一个能量的差距”，意即让一个半导体“从绝缘到导电所需的最低能量”。
第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低能隙材料，数值分别为 1.12 eV 和 1.43 eV，第三代（宽能隙）半导体的能隙，SiC 和 GaN 分别达到 3.2eV、3.4eV，因此当遇到高温、高压、高电流时，跟一、二代比起来，第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电，特性更稳定，能源转换也更好。
一般人常有的第三代半导体迷思
随着 5G、电动车时代来临，科技产品对于高频、高速运算、高速充电的需求上升，硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限，难以提升电量和速度；一旦操作温度超过 100 度时，前两代产品更容易故障，因此无法应用在更严苛的环境；再加上全球开始重视碳排放问题，因此高能效、低能耗的第三代半导体成为时代下的新宠儿。
第三代半导体在高频状态下仍可以维持优异的效能和稳定度，同时拥有开关速度快、尺寸小、散热迅速等特性，当芯片面积大幅减少后，有助于简化周边电路设计，进而减少模组及冷却系统的体积。
很多人以为，第三代半导体与先进制程一样，是从第一、二代半导体的技术累积而来，其实不尽然。从图中来看，这三代半导体其实是平行状态，各自发展技术，由于中国、美国、欧盟积极发展第三代半导体，身为半导体产业链关键之一的台湾，势必得跟上这一趋势。
▲ 第三代半导体到了西元 2000 年后，开始陆续推出产品。（Source：科技新报制图）
SiC 和 GaN 各具优势、发展领域不同
了解到前三代半导体差异后，我们接着聚焦于第三代半导体的材料──SiC 和 GaN，这两种材料的应用领域略有不同，目前 GaN 元件常用于电压 900V 以下之领域，例如充电器、基地台、5G 通讯相关等高频产品；SiC 则是电压大于 1,200 V，好比电动车相关应用。
SiC 是由硅（Si）与碳（C）组成，结合力强，在热量上、化学上、机械上皆安定，由于低耗损、高功率的特性，SiC 适合高压、大电流的应用场景，例如电动车、电动车充电基础设施、太阳能及离岸风电等绿能发电设备。
另外，SiC 本身是“同质磊晶”技术，所以品质好、元件可靠度佳，这也是电动车选择使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。
现今电动车的电池动力系统主要是 200V-450V，更高阶的车款将朝向 800V 发展，这将是 SiC 的主力市场。不过，SiC 晶圆制造难度高，对于长晶的源头晶种要求高，不易取得，加上长晶技术困难，因此目前仍无法顺利量产，后面会多加详述。
▲ SiC 和 GaN 基板应用示意图。（Source：科技新报制图）
GaN 为横向元件，生长在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，为“异质磊晶”技术，生产出来的 GaN 薄膜品质较差，虽然目前能应用在快充等民生消费领域，但用于电动车或工业上则有些疑虑，同时也是厂商极欲突破的方向。
GaN 应用领域则包括高压功率元件（Power）、高射频元件（RF），Power 常做为电源转换器、整流器，而平常使用的蓝牙、Wi-Fi、GPS 定位则是 RF 射频元件的应用范围之一。
若以基板技术来看，GaN 基板生产成本较高，因此 GaN 元件皆以硅为基板，目前市场上的 GaN 功率元件以 GaN-on-Si（硅基氮化镓）以及 GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）两种晶圆进行制造。
一般常听到的 GaN 制程技术应用，例如上述的 GaN RF 射频元件及 Power GaN，都来自 GaN-on-Si 的基板技术；至于 GaN-on-SiC 基板技术，由于碳化硅基板（SiC）制造困难，技术主要掌握在国际少数厂商手上，例如美国科锐（Cree）、II-VI及罗姆半导体（ROHM）。
▲ 射频元件、Power GaN 都来自 GaN-on-Si 技术。（Source：科技新报制图）
磊晶技术困难、关键 SiC 基板由国际大厂主导
第三代半导体（包括 SiC 基板）产业链依序为基板、磊晶、设计、制造、封装，不论在材料、IC 设计及制造技术上，仍由国际 IDM 厂主导，代工生存空间小，目前台湾供应商主要集中在上游材料（基板、磊晶）与晶圆代工。
▲ 第三代半导体的晶圆制程。（Source：科技新报制图）
从技术层面来看，GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 有不同问题待解决，除了制程困难、成本高昂外，光是材料端的基板、磊晶技术难度就高，因此未能放量生产。GaN-on-Si 制程要将氮化镓磊晶长在硅基材上，有晶格不匹配的问题须克服。
至于 GaN-on-SiC 的关键材料 SiC 基板，制程更是繁杂、困难，过程需要长晶、切割、研磨。生产 SiC 的单晶晶棒比 Si 晶棒困难，时间也更久，Si 长晶约 3 天就能制出高度 200 公分的晶棒，但 SiC 需要 7 天才能长出 2 到 5 公分的晶球，加上 SiC 材质硬又脆，切割、研磨难度更高。
目前 SiC 基板主要由 Cree、II-VI、英飞凌（Infineon）、意法半导体（STM）、ROHM、三菱电机（Mitsubishi）、富士电机（Fuji Electric）等国际大厂主导，以 6 吋或 8 吋晶圆为主；台厂则以 4 吋为主，6 吋晶圆技术尚未规模化生产。
此外，SiC 基板原料大多仰赖国外进口，但许多国家将 SiC 材料视为战略性资源，台厂要取得相对困难，原料价格也高；相较于 SiC、GaN-on-Si 可用于车用市场和快充，GaN-on-SiC 应用方向不够明确，因此全力投入开发仍需要一段时间。
中国狠砸 10 亿人民币，台厂靠“打群架”策略抢攻商机
第三代半导体生产成本高昂，放量生产仍有难度，现阶段国内外厂商都朝着策略结盟，透过加强上下游垂直整合能力，将良率提升、降低成本，最终量产。
以台湾来看，强攻第三代半导体的集团分别有中美晶集团、汉民集团、广运集团。环球晶、汉民科技、稳晟科技以及广运集团去年和子公司太极成立“盛新材料”跨足 SiC 基板领域；台积电、世界先进、稳懋、宏捷科、环宇-KY、汉民子公司汉磊及嘉晶专攻磊晶技术与代工业务。
观察台湾在第三代半导体的布局进度，除了要先克服技术瓶颈，还面临国外大厂发展多年、技术领先，再加上中国“十四五规划”将砸 10 兆人民币、在 5 年内全力发展第三代半导体，打算来个“技术大超车”。作为半导体供应链关键要角的台湾，也已开始积极布局，盼能急起直追，在这场关键的第三代半导体战役上，台湾产业有不能输的压力。
（首图来源：shutterstock）
