第三代半導體占據市場主流，碳化硅還是氮化鎵，一山容不容二“虎”？

近年來，碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料在新能源汽車、5G通訊、光伏儲能等終端應用市場盡顯風光。隨著新興應用技術的快速迭代，市場對功率元件效能需求日益增強，第三代半導體隨之水漲船高。

TrendForce集邦咨詢表示，雖受俄烏沖突與疫情反復影響，消費電子等終端市場需求有所下滑，但應用于功率元件的第三代半導體在各領域的滲透率仍然呈現持續攀升之勢，800V汽車電驅系統、高壓快充樁、消費電子適配器、數據中心及通訊基站電源等領域的快速發展，推升了2022年碳化硅/氮化鎵功率半導體市場需求。

另外，據TrendForce集邦咨詢研究，隨著越來越多車企開始在電驅系統中導入碳化硅技術，預估2022年車用碳化硅功率元件市場規模將達到10.7億美元，至2026年將攀升至39.4 億美元。

目前第三代半導體已然成為了高科技領域最熱門的話題之一，據TrendForce集邦咨詢研究推估，第三代功率半導體產值將從2021年的9.8億美元，至2025年將成長至47.1億美元，年復合成長率達48%。

可見，未來第三代半導體市場蘊藏著巨大的機遇，而這也正是眾多企業瞄準第三代半導體領域瘋狂進擊的原因之一。


第三代化合物半導體提供更多選擇

第三代化合物半導體-碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料興起，有助解決傳統硅基元件遭遇的困境。第三代化合物半導體具備耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性，可以廣泛應用于高功率、高頻和高溫電子電力系統，如電動車及電動車充電設備、大型風力發電機、太陽能板逆變器、資料中心、手機快充、太空衛星、行動基地臺等領域。

碳化硅（SiC）最大的優勢在于高溫與高崩潰電壓耐受力；氮化鎵（GaN）的穩定性高，熔點高達1700度，除了穩定性、耐高溫、耐高壓等優勢，同時擁有良好的導電性與導熱性，多應用于變壓器和充電器等領域，如需要較大電壓的筆電、平板，以及需要較小電壓的手機和手表充電產品，能有效縮短充電時間。氮化鎵（GaN）元件的切換速度是硅基元件的10倍以上，相較于Si，更適合高頻率、高效率的電子產品，包含5G產品。

隨著2050年凈零碳排（Net Zero）目標逼近，各國在交通政策與產業推動上都朝燃油車電氣化的方向邁進，帶動整體電動車產業。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）能同時應用于汽車產業，尤其碳化硅（SiC）在車載領域及可靠性上更具優勢，在電動車的系統應用方面主要包含逆變器、車載充電器（OBC）及直流變壓器等。相較于傳統硅基模組效能，碳化硅（SiC）可減少約50%的電能轉換損耗，降低約20%的電源轉換系統成本，提升電動車約4%的續航力。


龍頭大廠帶動第三代半導體產能

電動車的充電設備及充電基礎設施都需要更高效能的元件。林若蓁指出，碳化硅（SiC）元件市場主要由汽車產業主導，比方特斯拉（Tesla）電動車款Model 3率先應用意法半導體生產的SiC MOSFET，帶動多家電動車廠商導入SiC材料。Model 3驅動逆變器（Traction Inverter）部分舍棄傳統絕緣柵雙極電晶體（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），開啟全球第三代半導體擴產潮。至于氮化鎵（GaN）功率元件市場則由消費性產品（如手機快充）、電信/通訊（如數據中心、太空衛星通訊）及汽車產業（如電動車內較小電壓的DC-DC converter）所帶動。

Yole Developpement研究機構報告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導體材料的市場規模成長至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導體市場規模達11億美元。預估2027年碳化硅（SiC）功率元件市場規模可達63億美元，氮化鎵（GaN）功率元件市場可達20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率元件市場的復合年成長率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率元件市場的復合年成長率（CAGR）為34%。除了消費性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率元件，氮化鎵（GaN）功率元件導入資料中心、電信設備電源的速度也愈來愈快。

知名業者如氮化鎵（Gan）功率IC龍頭納微半導體（Navitas）、美商Transphorm積極與半導體代工廠結盟，搶占市場，至于碳化硅（SiC）以IDM為主，重量級業者包含英飛凌（Infineon）、意法半導體（STMicroelectronics）、羅姆半導體（Rohm）等，其中，意法半導體同時跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領域；英飛凌、安森美半導體（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術。

SiC 和 GaN 的最佳甜蜜點

GaN Systems 首席執行官 Jim Witham 也將 SiC 和 GaN 世界歸類為分別適用于高功率、高壓和中功率、中壓應用。 “GaN 半導體通常跨越 50 V 至 900 V，而 SiC 器件服務于 1,000 V 以上的應用。” 他還指出，硅仍然是低功耗、低電壓應用的可行選擇，適用于低于 40 V 至 50 V 的電源設計。

在解釋每種半導體技術與需求相匹配的領域時，Witham 表示，在功率水平方面，硅適用于 20 W 及以下的應用，GaN 適用于 20 W 至 100 kW，SiC 適用于 100 kW 至 300 kW 及以上。 “硅、GaN 和 SiC 分別有甜蜜點，但在邊緣存在一些競爭。”

他還認為 SiC 在服務于汽車——尤其是電動汽車 (EV) 的牽引逆變器——以及高能電網以及風能和太陽能方面表現突出。 他補充說，對于 GaN 晶體管，手機和筆記本電腦的移動充電器已經出現，而數據中心電源才剛剛起步。 對于未來，Witham 認為 GaN 半導體將在車載充電器 (OBC) 和電動汽車 DC-DC 轉換器等汽車領域大放異彩。

在拉斯維加斯舉行的 CES 2023 上，GaN Systems 在 Canoo 的 7.2 kW OBC 中展示了 GaN，Canoo 是一家為沃爾瑪和美國陸軍提供車輛的電動汽車公司。這家總部位于加拿大渥太華的 GaN 半導體解決方案供應商還展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 轉換器，該轉換器在 800 V 電池總線架構中運行。它獲取電池電壓并將其更改為適合低壓輔助電路（如擋風玻璃刮水器和門鎖）的電壓。


8吋碳化硅晶圓成為兵家必爭之地

看好第三代半導體未來發展，各大廠布局動作頻頻，如英飛凌今年2月宣布，投資20億歐元提升第三代半導體的制造能力；安森美半導體宣布，2024年起碳化硅年銷售額將達10億美元，同時計劃2025年前將碳化硅前道工藝?能擴大到目前的10倍以上，據傳安森美與特斯拉已達成碳化硅（SiC）長期協議。

氮化鎵功率半導體全球領導者GaN Systems指出，全氮化鎵車輛有助改善全球暖化問題，提早達成凈零碳排目標。電動車的逆變器可將電池中的直流電轉換為交流電，使用GaN晶體管可獲得更高的能源效率，行駛里程延長5%以上。有鑒于GaN Systems產品應用在消費電子、電動汽車、數據中心和工業電源等領域日益廣泛，今年2月GaN Systems宣布，擴大3倍臺灣的營運團隊規模。

市場預估，未來8吋晶圓及基板可能成為兵家必爭之地。除了沃孚半導體、羅姆半導體、Ⅱ-Ⅵ已推出8吋碳化硅基板，英飛凌、意法半導體、安森美等大廠也積極布局8吋碳化硅晶圓產線。