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）