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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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