近年來，碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料在新能源汽車、5G通訊、光伏儲能等終端應用市場盡顯風光。隨著新興應用技術的快速迭代，市場對功率元件效能需求日益增強，第三代半導體隨之水漲船高。

TrendForce集邦咨詢表示，雖受俄烏沖突與疫情反復影響，消費電子等終端市場需求有所下滑，但應用于功率元件的第三代半導體在各領域的滲透率仍然呈現(xiàn)持續(xù)攀升之勢，800V汽車電驅系統(tǒng)、高壓快充樁、消費電子適配器、數據中心及通訊基站電源等領域的快速發(fā)展，推升了2022年碳化硅/氮化鎵功率半導體市場需求。

另外，據TrendForce集邦咨詢研究，隨著越來越多車企開始在電驅系統(tǒng)中導入碳化硅技術，預估2022年車用碳化硅功率元件市場規(guī)模將達到10.7億美元，至2026年將攀升至39.4 億美元。

目前第三代半導體已然成為了高科技領域最熱門的話題之一，據TrendForce集邦咨詢研究推估，第三代功率半導體產值將從2021年的9.8億美元，至2025年將成長至47.1億美元，年復合成長率達48%。

可見，未來第三代半導體市場蘊藏著巨大的機遇，而這也正是眾多企業(yè)瞄準第三代半導體領域瘋狂進擊的原因之一。


第三代化合物半導體提供更多選擇

第三代化合物半導體-碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）兩種材料興起，有助解決傳統(tǒng)硅基元件遭遇的困境。第三代化合物半導體具備耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性，可以廣泛應用于高功率、高頻和高溫電子電力系統(tǒng)，如電動車及電動車充電設備、大型風力發(fā)電機、太陽能板逆變器、資料中心、手機快充、太空衛(wèi)星、行動基地臺等領域。

碳化硅（SiC）最大的優(yōu)勢在于高溫與高崩潰電壓耐受力；氮化鎵（GaN）的穩(wěn)定性高，熔點高達1700度，除了穩(wěn)定性、耐高溫、耐高壓等優(yōu)勢，同時擁有良好的導電性與導熱性，多應用于變壓器和充電器等領域，如需要較大電壓的筆電、平板，以及需要較小電壓的手機和手表充電產品，能有效縮短充電時間。氮化鎵（GaN）元件的切換速度是硅基元件的10倍以上，相較于Si，更適合高頻率、高效率的電子產品，包含5G產品。

隨著2050年凈零碳排（Net Zero）目標逼近，各國在交通政策與產業(yè)推動上都朝燃油車電氣化的方向邁進，帶動整體電動車產業(yè)。碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）能同時應用于汽車產業(yè)，尤其碳化硅（SiC）在車載領域及可靠性上更具優(yōu)勢，在電動車的系統(tǒng)應用方面主要包含逆變器、車載充電器（OBC）及直流變壓器等。相較于傳統(tǒng)硅基模組效能，碳化硅（SiC）可減少約50%的電能轉換損耗，降低約20%的電源轉換系統(tǒng)成本，提升電動車約4%的續(xù)航力。


龍頭大廠帶動第三代半導體產能

電動車的充電設備及充電基礎設施都需要更高效能的元件。林若蓁指出，碳化硅（SiC）元件市場主要由汽車產業(yè)主導，比方特斯拉（Tesla）電動車款Model 3率先應用意法半導體生產的SiC MOSFET，帶動多家電動車廠商導入SiC材料。Model 3驅動逆變器（Traction Inverter）部分舍棄傳統(tǒng)絕緣柵雙極電晶體（IGBT），率先引入碳化硅（SiC）金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），開啟全球第三代半導體擴產潮。至于氮化鎵（GaN）功率元件市場則由消費性產品（如手機快充）、電信/通訊（如數據中心、太空衛(wèi)星通訊）及汽車產業(yè)（如電動車內較小電壓的DC-DC converter）所帶動。

Yole Developpement研究機構報告指出，2020-2026年采用碳化硅（SiC）作為功率半導體材料的市場規(guī)模成長至45億美元，氮化鎵（GaN）功率半導體市場規(guī)模達11億美元。預估2027年碳化硅（SiC）功率元件市場規(guī)模可達63億美元，氮化鎵（GaN）功率元件市場可達20億美元；2021-2027年，整體氮化鎵（GaN）功率元件市場的復合年成長率（CAGR）為59%，碳化硅（SiC）功率元件市場的復合年成長率（CAGR）為34%。除了消費性電源大量采用氮化鎵（GaN）功率元件，氮化鎵（GaN）功率元件導入資料中心、電信設備電源的速度也愈來愈快。

知名業(yè)者如氮化鎵（Gan）功率IC龍頭納微半導體（Navitas）、美商Transphorm積極與半導體代工廠結盟，搶占市場，至于碳化硅（SiC）以IDM為主，重量級業(yè)者包含英飛凌（Infineon）、意法半導體（STMicroelectronics）、羅姆半導體（Rohm）等，其中，意法半導體同時跨足碳化硅（SiC）、氮化鎵（Gan）領域；英飛凌、安森美半導體（onsemi）則擁有Si、SiC、GaN三種功率技術。

SiC 和 GaN 的最佳甜蜜點

GaN Systems 首席執(zhí)行官 Jim Witham 也將 SiC 和 GaN 世界歸類為分別適用于高功率、高壓和中功率、中壓應用。 “GaN 半導體通常跨越 50 V 至 900 V，而 SiC 器件服務于 1,000 V 以上的應用?！?他還指出，硅仍然是低功耗、低電壓應用的可行選擇，適用于低于 40 V 至 50 V 的電源設計。

在解釋每種半導體技術與需求相匹配的領域時，Witham 表示，在功率水平方面，硅適用于 20 W 及以下的應用，GaN 適用于 20 W 至 100 kW，SiC 適用于 100 kW 至 300 kW 及以上。 “硅、GaN 和 SiC 分別有甜蜜點，但在邊緣存在一些競爭。”

他還認為 SiC 在服務于汽車——尤其是電動汽車 (EV) 的牽引逆變器——以及高能電網以及風能和太陽能方面表現(xiàn)突出。 他補充說，對于 GaN 晶體管，手機和筆記本電腦的移動充電器已經出現(xiàn)，而數據中心電源才剛剛起步。 對于未來，Witham 認為 GaN 半導體將在車載充電器 (OBC) 和電動汽車 DC-DC 轉換器等汽車領域大放異彩。

在拉斯維加斯舉行的 CES 2023 上，GaN Systems 在 Canoo 的 7.2 kW OBC 中展示了 GaN，Canoo 是一家為沃爾瑪和美國陸軍提供車輛的電動汽車公司。這家總部位于加拿大渥太華的 GaN 半導體解決方案供應商還展示了 Vitesco 的基于 GaN 的 DC-DC 轉換器，該轉換器在 800 V 電池總線架構中運行。它獲取電池電壓并將其更改為適合低壓輔助電路（如擋風玻璃刮水器和門鎖）的電壓。


8吋碳化硅晶圓成為兵家必爭之地

看好第三代半導體未來發(fā)展，各大廠布局動作頻頻，如英飛凌今年2月宣布，投資20億歐元提升第三代半導體的制造能力；安森美半導體宣布，2024年起碳化硅年銷售額將達10億美元，同時計劃2025年前將碳化硅前道工藝?能擴大到目前的10倍以上，據傳安森美與特斯拉已達成碳化硅（SiC）長期協(xié)議。

氮化鎵功率半導體全球領導者GaN Systems指出，全氮化鎵車輛有助改善全球暖化問題，提早達成凈零碳排目標。電動車的逆變器可將電池中的直流電轉換為交流電，使用GaN晶體管可獲得更高的能源效率，行駛里程延長5%以上。有鑒于GaN Systems產品應用在消費電子、電動汽車、數據中心和工業(yè)電源等領域日益廣泛，今年2月GaN Systems宣布，擴大3倍臺灣的營運團隊規(guī)模。

市場預估，未來8吋晶圓及基板可能成為兵家必爭之地。除了沃孚半導體、羅姆半導體、Ⅱ-Ⅵ已推出8吋碳化硅基板，英飛凌、意法半導體、安森美等大廠也積極布局8吋碳化硅晶圓產線。