搞懂第三代半導體與前兩代的差異關鍵,不同世代半導體的消長與共存

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 22 日 9:15 | 分類 IC 設計 , 封裝測試 , 晶圓 Telegram share ! follow us in feedly


隨著全球進入 IoT、5G、綠能、電動車時代,能徹底展現耐高壓、高溫、高頻能耐,並滿足當前主流應用對高能源轉換效率要求的寬能隙(Wide Band Gap,WBG)半導體開始成為市場寵兒,半導體材料於焉揭開第三代半導體新紀元的序幕。 

打從全球第一顆電晶體於1940 年代問世後,發展已久的半導體產業開始有如神助般地蓬勃發展。我們從「矽谷」的名稱就可大致推斷第一代半導體的主流材料是矽(Si),事實上,1950、60 年代電晶體所採用的半導體材料多半是鍺(Ge),但由於鍺容易引發熱失控,隨後逐漸被矽取代,進而造就了微電子產業的全面發展。

▲ 2 吋、吋、吋到 吋等尺寸矽晶圓。(Source:See page for author, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

自從 1970 年貝爾實驗室發明了室溫半導體雷射之後,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為主的三五族化合物半導體一躍成為市場主角。比起已達物理極限的矽基半導體元件而言,砷化鎵與磷化銦擁有超高的電子遷移率,並具備高頻、低雜訊、高效率及低耗電等特性,整個半導體產業因而進入了以這兩種材料為主的第二代半導體時代,並為今後的微波射頻通訊半導體發展奠立厚實的基礎。

▲ 透過 LEC 液封直拉法或 VGF 垂直梯度凝固生長方法所製造的半絕緣和半導體砷化鎵晶片及錠。(Source:CMK

為了因應 5G 高頻應用,並滿足綠能與 EV 電動車等高壓、大電流及高能源轉換效率的需求,氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)等寬能隙半導體開始嶄露頭角。由於半導體材料的能隙愈寬,其耐高頻、高壓、高溫、高功率及高電流的能耐也愈強,並極具高能源轉換效率與低能耗的特性,這樣的特性正好滿足現行 IoT、5G 及電動車等最新應用的需求。身為新舊世代半導體材料分水嶺的兩款寬能隙半導體,已然成為各國下一階段的重點發展目標,業界甚至有「得碳化矽基板(襯底)者將得天下」的說法,由此可見,全球第三代半導體大戰不但已然全面開打,甚至已趨白熱化的地步。

儘管第三代半導體在效能上有更好的表現,但一來其技術門檻更高,一來並非所有電子元件及技術應用都需要如此高的效能,所以第三代半導體並不會完全取代前兩個世代,在經過一番汰舊換新後,原則上,三個世代會在不同領域各自扮演重要的角色。基本上,第一代會以應用在電腦及消費性電子上的邏輯 IC、記憶體 IC、微元件 IC 及類比 IC 為主,第二代會著墨在手機通訊領域之射頻晶片上,第三代的最大驅動力來自於 5G、IoT、綠能、電動車、衛星通訊及軍事等領域,並以高頻率的射頻元件及高功率的功率半導體元件為應用大宗。其中,5G 和電動車被視為是加速第三代半導體發展的最大促因與動力。

兵分 GaN-on-SiC 及 GaN-on-Si 二路,搶攻 5G 大餅

首先就 5G 而言,今後不論是 Sub-6(6GHz以下頻段)或 mmWave 毫米波(24GHz 以上頻段)的基礎設施佈建都需要大量的天線、射頻元件及基地台,這正是 GaN 發揮自身高頻、高功率、大頻寬、低功耗與小尺寸等優勢的最佳用武之地。

根據市調公司 Yole Developement《GaN RF Market: Applications, Players, Technology, and Substrates 2021》報告指出,全球 GaN 射頻元件市場將從 2020 年的 8.91 億美元(約新台幣 249 億元),成長至 2026 年的 24 億美元(約新台幣 670.7 億元),年複合成長率(CAGR)達 18%。

整個射頻 GaN 半導體產業的發展皆始於碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)技術,歷經 20 多年的發展,它已成為矽基橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)及 GaAs 的主要競爭對手。自從 2020 年,NXP 恩智浦半導體在美國亞利桑那州開設全球第一座 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓廠開始,GaN-on-SiC 或 SiC 晶圓便開始加速從 4 吋轉移到 6 吋的腳步。

日前,鴻海以 25.2 億買下旺宏 6 吋晶圓廠,布局 SiC 晶圓製造,便是搭上這股順風車,不過,鴻海欲藉以跨入電動車應用領域,關於 SiC 應用於電動車的部分,文後會有進一步探討。回歸 5G 基地台及衛星通訊方面的應用實例,尚有長居 GaAs 代工龍頭之位的穩懋,該公司不僅擴充 GaN-on-SiC 產能並處於穩定出貨的狀態。除此之外,全新、環球晶及環宇-KY 皆有這方面的布局之舉。據 Yole Development 預估,GaN-on-SiC 元件市場,將從 2020 年的 3.42 億美元(約新台幣 95.57 億元)成長至 2026 年的 20.22 億美元(約新台幣 565 億元),CAGR 達 17%。

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

除了鎖定基地台高頻部分的 GaN-on-SiC 之外,GaN 半導體還會朝向專門滿足基地台中低頻產品需求的矽基氮化鎵(GaN-on-Si)技術發展,由於該技術具備較寬頻寬與小尺寸的優勢,所以很有可能成為今後 Sub-6 5G 智慧型手機的首選技術。

GaN 快充與車用 SiC 元件齊發功,第三代半導體一飛沖天兩大催化劑

另一個帶動第三代半導體發展的應用,莫過於功率半導體元件(又稱 Power Electronics 電力電子元件)。在 5G 電信、消費性電子及新能源車(New Energy Vehicle,NEV)的推波助瀾下,市場對於電信基地台、轉換器及充電站的需求大增,進而帶動 GaN 功率元件與 SiC 功率元件的成長。

根據市場研究機構 TrendForce 集邦科技的調研顯示,2021 年 GaN 功率元件營收達 8,300 萬美元(約新台幣 23.2 億元),YoY 年增率為 73%,到了 2025 年營收突破 8.5 億美元(約新台幣237.87 億元),CAGR 達 78%。消費性電子(60%)、新能源車(20%)及電信/資料中心(15%)會成為 GaN 功率元件的三大應用領域。此外,Yole 則預估 2025 年 GaN 功率元件市場會超過 6.8 億美元(約新台幣 190.3 億元)。

在所有應用中,GaN 快充已然成為推動 GaN 功率元件成長的最大動力之一。當前有許多主流智慧型手機皆已配備快充功能,例如 Oppo 即為第一家標配 65W GaN 快充(採用 GaN HEMT 高電子遷移率電晶體)的廠商。集邦科技指出,許多筆電製造商也紛紛表達會為自家筆電採用快充的意願,屆時勢必進一步帶動此一寬能隙材料的市場滲透率。

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

最後,讓我們將焦點放在 SiC 功率元件上,基本上,集邦科技與 Yole 所預估 2025 年該功率元件的營收數字差不多,前者認為將達 33.9 億美元(約新台幣 948.69 億元,CAGR 為 38%),後者預估數字為 30 億美元(約新台幣 839.55 億元)。集邦科技指出,新能源車(61%)、太陽能發電/儲能(13%)及充電站(9%)成為使用 SiC 功率元件的三大來源。Yole 表示,電動車與 HEV 混合動力車會是現行推升 SiC 功率元件大幅成長最有力的殺手級應用。

 ▲ 英飛凌旗下 CoolMOS(矽 MOSFET 電晶體)、CoolSiC(碳化矽 MOSFET 電晶體)及 CoolGaN(氮化鎵 HEMT 電晶體)優劣比較雷達圖。(Source:Infineon PDF

 (首圖來源:台積電

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