第三代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，在5G、電動車、再生能源、工業4。0發展中扮演不可或缺的角色，即使常聽到這些訊息，相信許多人對它仍一知半解，那麼第三代半導體到底是什麼？對此，本文將用最淺顯易懂、最全方位的角度，帶你瞭解這個足以影響科技產業未來的關鍵技術。
第三代半導體、寬頻隙是什麼？
講到第三代半導體，首先簡單介紹一下第一、二代半導體。在半導體材料領域中，第一代半導體是「矽」（Si），第二代半導體是「砷化鎵」（GaAs），第三代半導體（又稱「寬頻隙半導體」，WBG）則是「碳化矽」（SiC）和「氮化鎵」（GaN）。
寬頻隙半導體中的「帶隙」（Energy gap），如果用最白話的方式說明，代表著「一個能量的差距」，意即讓一個半導體「從絕緣到導電所需的最低能量」。
第一、二代半導體的矽與砷化鎵屬於低帶隙材料，數值分別為1。12 eV（電子伏特）和1。43 eV，第三代（寬頻隙）半導體的帶隙，SiC和GaN分別達到3。2eV、3。4eV，因此當遇到高溫、高壓、高電流時，跟一、二代比起來，第三代半導體不會輕易從絕緣變成導電，特性更穩定，能源轉換也更好。
一般人常有的第三代半導體迷思
隨著5G、電動車時代來臨，科技產品對於高頻、高速運算、高速充電的需求上升，矽與砷化鎵的溫度、頻率、功率已達極限，難以提升電量和速度；一旦操作溫度超過100度時，前兩代產品更容易故障，因此無法應用在更嚴苛的環境；再加上全球開始重視碳排放問題，因此高能效、低能耗的第三代半導體成為時代下的新寵兒。
第三代半導體在高頻狀態下仍可以維持優異的效能和穩定度，同時擁有開關速度快、尺寸小、散熱迅速等特性，當芯片面積大幅減少後，有助於簡化周邊電路設計，進而減少模組及冷卻系統的體積。
很多人以為，第三代半導體與先進製程一樣，是從第一、二代半導體的技術累積而來，其實不盡然。從圖中來看，這三代半導體其實是平行狀態，各自發展技術。
▲ 第三代半導體到了2000 年後，開始陸續推出產品
SiC 和 GaN 各具優勢、發展領域不同
瞭解到前三代半導體差異後，我們接著聚焦於第三代半導體的材料——SiC和GaN，這兩種材料的應用領域略有不同，目前GaN元件常用於電壓900V以下之領域，例如充電器、基站、5G通訊相關等高頻產品；SiC則是電壓大於1200 V，比如電動車相關應用。
SiC 是由矽（Si）與碳（C）組成，結合力強，在熱量上、化學上、機械上都穩定，由於低耗損、高功率的特性，SiC 適合高壓、大電流的應用場景，例如電動車、電動車充電基礎設施、太陽能及離岸風電等綠色能源發電裝置。
另外，SiC 本身是「同質磊晶」技術，所以品質好、元件可靠度佳，這也是電動車選擇使用它的主因，加上又是垂直元件，因此功率密度高。
現今電動車的電池動力系統主要是200V-450V，更高階的車款將朝向800V發展，這將是SiC的主力市場。不過，SiC 晶圓製造難度高，對於長晶的源頭晶種要求高，不易取得，加上長晶技術困難，因此目前仍無法順利量產，後面會多加詳述。
▲ SiC 和 GaN 基板應用示意圖
GaN 為橫向元件，生長在不同基板上，例如 SiC 或 Si 基板，為「異質磊晶」技術，生產出來的 GaN 薄膜品質較差，雖然目前能應用在快充等民生消費領域，但用於電動車或工業上則有些疑慮，同時也是廠商極欲突破的方向。
GaN 應用領域則包括高壓功率器件（Power）、高射頻元件（RF），Power 常做為電源轉換器、整流器，而平常使用的藍芽、Wi-Fi、GPS 定位則是 RF 射頻元件的應用範圍之一。
若以基板技術來看，GaN 基板生產成本較高，因此GaN 元件皆以矽為基板，目前市場上的GaN功率元件以GaN-on-Si（矽基氮化鎵）以及GaN-on-SiC（碳化矽基氮化鎵）兩種晶圓進行製造。
一般常聽到的GaN製程技術應用，例如上述的GaN RF射頻器件及PowerGaN，都來自GaN-on-Si的基板技術；至於GaN-on-SiC基板技術，由於碳化矽基板（SiC）製造困難，技術主要掌握在國際少數廠商手上，例如美國科銳（Cree）、II-VI及羅姆半導體（ROHM）。
▲ 射頻元件、Power GaN 都來自 GaN-on-Si 技術
磊晶技術困難、關鍵SiC基板由國際大廠主導
第三代半導體（包括SiC基板）產業鏈依序為基板、磊晶、設計、製造、封裝，不論在材料、IC設計及製造技術上，仍由國際IDM廠主導，代工生存空間小，目前臺灣地區的供貨商主要集中在上游材料（基板、磊晶）與晶圓代工。
▲ 第三代半導體的晶圓製程
從技術層面來看，GaN-on-Si和GaN-on-SiC有不同問題待解決，除了製程困難、成本高昂外，光是材料端的基板、磊晶技術難度就高，因此未能放量生產。GaN-on-Si製程要將氮化鎵磊晶長在矽基材上，有晶格不匹配的問題須克服。
至於GaN-on-SiC的關鍵材料SiC基板，製程更是繁雜、困難，過程需要長晶、切割、研磨。生產SiC的單晶晶棒比Si晶棒困難，時間也更久，Si長晶約3天就能製出高度200公分的晶棒，但SiC需要7天才能長出2到5公分的晶球，加上SiC材質硬又脆，切割、研磨難度更高。
目前SiC基板主要由Cree、II-VI、英飛凌（Infineon）、意法半導體（STM）、ROHM、三菱電機（Mitsubishi）、富士電機（Fuji Electric）等國際大廠主導，以6吋或8寸晶圓為主；臺廠則以4寸為主，6吋晶圓技術尚未規模化生產。
許多國家將SiC材料視為戰略性資源，代工廠要取得相對困難，原料價格也高；相較於SiC、GaN-on-Si可用於車用市場和快充，GaN-on-SiC應用方向不夠明確，因此全力投入開發仍需要一段時間。
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