搞懂第三代半导体与前两代的差异关键,不同时代半导体的消长与共存

随着全球进入IoT、5G、绿色能源、电动汽车时代,能彻底展现耐高压、高温、高频能耐,并满足当前主流应用对高能源转换效率要求的宽能隙(Wide Band Gap,WBG)半导体开始成为市场宠儿,半导体材料于焉揭开第三代半导体新纪元的序幕。

打从全球第一颗晶体管于1940年代问世后,发展已久的半导体产业开始有如神助般地蓬勃发展。我们从“硅谷”的名称就可大致推断第一代半导体的主流材料是硅(Si),事实上,1950、60年代晶体管所采用的半导体材料多半是锗(Ge),但由于锗容易引发热失控,随后逐渐被硅取代,进而造就了微电子产业的全面发展。

2英寸、4英寸、6英寸到8英寸等尺寸硅芯片。 (Source:See page for author,CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

自从1970年贝尔实验室发明了室温半导体激光之后,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为主的三五族化合物半导体一跃成为市场主角。比起已达物理极限的硅基半导体组件而言,砷化镓与磷化铟拥有超高的电子迁移率,并具备高频、低噪声、高效率及低耗电等特性,整个半导体产业因而进入了以这两种材料为主的第二代半导体时代,并为今后的微波射频通信半导体发展奠立厚实的基础。

通过LEC液封直拉法或VGF垂直梯度凝固生长方法所制造的半绝缘和半导体砷化镓芯片及锭。 (Source:CMK)

为了应对5G高频应用,并满足绿色能源与EV电动汽车等高压、大电流及高能源转换效率的需求,氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)等宽能隙半导体开始崭露头角。由于半导体材料的能隙愈宽,其耐高频、高压、高温、高功率及高电流的能耐也愈强,并极具高能源转换效率与低能耗的特性,这样的特性正好满足现行IoT、5G及电动汽车等最新应用的需求。身为新旧时代半导体材料分水岭的两款宽能隙半导体,已然成为各国下一阶段的重点发展目标,业界甚至有“得碳化硅基板(衬底)者将得天下”的说法,由此可见,全球第三代半导体大战不但已然全面开打,甚至已趋白热化的地步。

尽管第三代半导体在性能上有更好的表现,但一来其技术门槛更高,一来并非所有电子组件及技术应用都需要如此高的性能,所以第三代半导体并不会完全取代前两个时代,在经过一番汰旧换新后,原则上,三个时代会在不同领域各自扮演重要的角色。基本上,第一代会以应用在计算机及消费性电子上的逻辑IC、内存IC、微组件IC及模拟IC为主,第二代会着墨在手机通信领域之射频芯片上,第三代的最大驱动力来自于5G、IoT、绿色能源、电动汽车、卫星通信及军事等领域,并以高频率的射频组件及高功率的功率半导体组件为应用大宗。其中,5G和电动汽车被视为是加速第三代半导体发展的最大促因与动力。

兵分GaN-on-SiC及GaN-on-Si二路,抢攻5G大饼

首先就5G而言,今后不论是Sub-6(6GHz以下频段)或mmWave毫米波(24GHz以上频段)的基础设施部署都需要大量的天线、射频组件及基站,这正是GaN发挥自身高频、高功率、大带宽、低功耗与小尺寸等优势的最佳用武之地。

根据市调公司Yole Developement《GaN RF Market: Applications, Players, Technology, and Substrates 2021》报告指出,全球GaN射频组件市场将从2020年的8.91亿美元,增长至2026年的24亿美元,年复合增长率(CAGR)达18%。

整个射频GaN半导体产业的发展皆始于碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)技术,历经20多年的发展,它已成为硅基横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)及GaAs的主要竞争对手。自从2020年,NXP恩智浦半导体在美国亚利桑那州开设全球第一座6英寸GaN-on-SiC芯片厂开始,GaN-on-SiC或SiC芯片便开始加速从4英寸转移到6英寸的脚步。

日前,鸿海以25.2亿买下旺宏6英寸芯片厂,布局SiC芯片制造,便是搭上这股顺风车,不过,鸿海欲借以跨入电动汽车应用领域,关于SiC应用于电动汽车的部分,文后会有进一步探讨。回归5G基站及卫星通信方面的应用实例,尚有长居GaAs代工龙头之位的稳懋,该公司不仅扩展GaN-on-SiC产能并处于稳定出货的状态。除此之外,全新、环球晶及环宇-KY皆有这方面的布局之举。据Yole Development预估,GaN-on-SiC组件市场,将从2020年的3.42亿美元增长至2026年的20.22亿美元,CAGR达17%。

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

除了锁定基站高频部分的GaN-on-SiC之外,GaN半导体还会朝向专门满足基站中低频产品需求的硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术发展,由于该技术具备较宽带宽与小尺寸的优势,所以很有可能成为今后Sub-6 5G智能手机的首选技术。

GaN快充与车用SiC组件齐发功,第三代半导体一飞冲天两大催化剂

另一个带动第三代半导体发展的应用,莫过于功率半导体组件(又称Power Electronics电力电子组件)。在5G电信、消费性电子及新能源车(New Energy Vehicle,NEV)的推波助澜下,市场对于电信基站、转换器及充电站的需求大增,进而带动GaN功率组件与SiC功率组件的增长。

根据市场研究机构TrendForce集邦科技的调研显示,2021年GaN功率组件营收达8,300万美元,YoY年增率为73%,到了2025年营收突破8.5亿美元,CAGR达78%。消费性电子(60%)、新能源车(20%)及电信/数据中心(15%)会成为GaN功率组件的三大应用领域。此外,Yole则预估2025年GaN功率组件市场会超过6.8亿美元。

在所有应用中,GaN快充已然成为推动GaN功率组件增长的最大动力之一。当前有许多主流智能手机皆已配备快充功能,例如Oppo即为第一家标配65W GaN快充(采用GaN HEMT高电子迁移率晶体管)的厂商。集邦科技指出,许多笔记本制造商也纷纷表达会为自家笔记本采用快充的意愿,届时势必进一步带动该宽能隙材料的市场渗透率。

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

最后,让我们将焦点放在SiC功率组件上,基本上,集邦科技与Yole所预估2025年该功率组件的营收数字差不多,前者认为将达33.9亿美元(CAGR为38%),后者预估数字为30亿美元。集邦科技指出,新能源车(61%)、太阳能发电/储能(13%)及充电站(9%)成为使用SiC功率组件的三大来源。Yole表示,电动汽车与HEV混合动力车会是现行推升SiC功率组件大幅增长最有力的杀手级应用。

英飞凌旗下CoolMOS(硅MOSFET晶体管)、CoolSiC(碳化硅MOSFET晶体管)及CoolGaN(氮化镓HEMT晶体管)优劣比较雷达图。 (Source:Infineon PDF)

(首图来源:台积电)

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