• 第一代半導體為元素半導體：矽(Si)、鍺(Ge)
• 第二代半導體化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)
• 第三代半導體為寛禁帶(>2eV)化合物：氮化鎵、碳化矽、氮化鋁、硒化鋅、金剛石

• 半導體材料發展趨勢：更高的輸出功率、更快的工作頻率、更寬的能量間隙
• 第三代半導體在能量間隙、擊穿電壓、導熱率、電子移動速度具絕對優勢，適合高溫、高壓以及高頻的大功率器件

• SiC VS Si

• GaN VS GaAs

            氮化鎵具有更高的電子遷移速率以及更寬的禁帶寬度，適用於大功率、高頻射頻領域

• 第三代半導體未來主要應用於半導體照明、電力電子器件、微波射頻以及雷射產品

• 碳化矽承受電壓高於氮化鎵
• 氮化鎵電子遷移速度高於碳化矽
• SiC採用TO封裝，可快速取代IGBT與MOSFET
• 氮化鎵採SMD封裝，具輕薄短小優勢
• SiC成本低於GaN

• 第三代半導體存在著能量間隙、擊穿電壓、導熱率、電子移動速度具絕對優勢，適合高溫、高壓以及高頻的工作環境
• 三代半導體材料間並非僅存在取代關係，不同的材料適合不同的產品特性
• 材料特性優異，仍須考量成本以及工藝的複雜度
• 第三代半導體優異的特性有利於其在電動車、通訊市場、消費性電子的應用

• 碳化矽 VS 矽
• 禁帶寬度：矽的2.7倍
• 導熱率：3.8倍
• 擊穿電壓：10倍
• 電子移動速度：2.5倍

SiC 發展歷程

• TESLA Model 3採用意法半導體650V SiC MOSFET
• 提升逆變器效率5~8%，改善續航力
• 優異的高溫環境表現—200度仍能維持正常運作
• SiC增加300美元成本，但降低電池成本、空間和冷卻成本降低，估計可節省2000美元的系統成本(ST估計)

• 2017~2023 CAGR 31%，市場規模可達20億美元，車用佔比50%
• 主要成長動能來自電動車、充電樁、火車電力等運輸系統需求
• CREE預估2022年SiC電動車市場規模可達24億美元

• uSiC應用層面涵蓋車用、工業用、能源、運輸、醫療等需要用到高功率產品的行業

   

• SiC上中下游從拉晶、長晶、外延、線路製作，主導者皆為歐、美以及日本業者，美國市占70~80%
• 歐洲方面則是擁有完整的 SiC 產業鏈
• 日本則是 SiC 設備和模組開發方面的領導者

• 原料成本過高、晶圓尺寸受限、良率不佳等因素將限制SiC產品普及的速度

• 漢磊投控 ：嘉晶切入 4 吋與 6 吋 SiC 磊晶矽晶圓代工服務，已獲客戶認證並量產；漢磊科，則提供 SiC Diode、SiC MOSFET 代工服務
• 環球晶：與交大透過產學合作的模式，攜手研發第三代半導體材料包含但不限於6吋~8吋SiC 和GaN之技術開發。SiC已有產品小量出貨，08/2019宣布與 GTAT 簽訂碳化矽晶球長約

• GaN必須依附外來的基板上生長
• GaN ON 藍寶石—藍光LED、白光LED
• GaN ON Si—功率元件
• GaN ON SiC       —RF微波功率放大器

• GaN on Si目前生產良率較低，但成本下降空間較大，且可以拓展至8吋晶圓，成本將是SiC基板的百分之一
• GaN on SiC受限於SiC基板，主流尺寸為4吋、6吋，8吋尚未推廣
• GaN on藍寶石主流尺寸為4吋，仍以照明為主要應用市場

GaN基板選擇的策略考量

• GaN on Si著眼於成本考量—消費性電子
• GaN on SiC電子移動速度是Si的40倍，強調效能的提升—軍用、通訊

氮化鎵長期成長潛力雄厚

• 5G興起，GaN on SiC成長速度加快
• 電動車、消費性電子有助於GaN長期潛力的發揮

• GaN技術主導者皆為歐、美以及日本業者
• 台灣著重於IC代工製造
• 大陸積極切入，但技術與歐美日差異仍大

• 原料成本過高、晶圓尺寸受限、良率不佳、缺乏長期可信度、主被動元件整合等因素將限制GaN產品普及的速度

• GaN優異的特性，各國積極投入

• GaN on Si 市場短期將維持雙位數成長
• 隨著快充市場、資料中心、無線充電、電動車的發展，市場成長性提高

RF GaN

• 氮化鎵材料特性適合5G高頻傳輸但成本因素，短期內大量取代的機會不大

• 2019~2025 CAGR 12%，市場規模由7.4億美元成長至20億美元
• 軍用 CAGR 22%、電信基地台 CAGR 15%，市場份額分居1、2

• GaN射頻領域主要由美、日兩國企業主導，其中，以美商 Cree 居首，住友電工、東芝、富士通等日商緊追在後，中國廠如三安光電、海特高新、華進創威在此領域雖有著墨，但與國際大廠相比技術差距大

• 台積電：100V、650V氮化鎵技術平台預計於2020年完成、結盟意法半導體
• 漢磊投控 ：旗下晶圓代工廠漢磊、嘉晶分別提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工及磊晶服務
• 世界先進：在 GaN 材料與設備材料廠 Kyma、及轉投資 GaN 矽基板廠 Qromis 攜手合作，著眼開發可做到 8 吋的新基底高功率氮化鎵技術 GaN-on-QST，2020小量送樣
• 聯電：與旗下子公司聯穎合作，仍處研發階段，初期以6吋代工為主
• 穩懋 ：提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工
• 環宇 ：4 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工，6 吋 GaN-on-SiC 代工產能通過認證
• 全新：已設立GaN專用機台生產線
• IET：與合作夥伴共同發展4-6in GaN/SiC及GaN/Si磊晶生長技術、完成組裝氮化鎵(GaN)機台，2H20開始GaN/SiC生產
• 環球晶：與交大透過產學合作的模式，攜手研發第三代半導體材料包含但不限於6吋~8吋SiC 和GaN之技術開發

結論

• 世界上不存在完美的半導體材料，性能、成本、生產效益皆為考慮因素
• 功率半導體除新應用外，既有產品未來將因為尺寸、效能問題而進行升級，有利於SiC、GaN進行市場滲透
• 碳化矽產品已逐漸進入市場，其中以電動車市場最令人矚目
• 氮化鎵起步較碳化矽晚，可靠性較受到質疑，加上產品售價較高，因此在功率半導體市場上仍需時間，但GaN/Si成本下降空間大，潛力不容忽視
• 射頻元件方面，GaN On SiC高頻應用優勢有利於其在5G產品的應用，Qorvo努力研究GaN On Si，希望能將其應用拓展至5G手機市場