喊「第三代」包藏野心?台灣發展第三代半導體的策略是「正名」!?

2021-10-08 06:40
5G世代高功率、高電壓的應用需求,催生不同材質的第三代半導體(CPU)。(取自Pixabay)
5G世代高功率、高電壓的應用需求,催生不同材質的第三代半導體(CPU)。(取自Pixabay)

我們想讓你知道:科技的發展必須從基礎工業開始長期努力耕耘,台積電在第一代半導體領先全球靠的是工程師們的努力與政府政策的扶持而不是「正名」。嗆聲要「彎道超車」的競爭對手不可怕,能說出「半導體產業不存在彎道超車」的競爭對手才可怕!

媒體報導把碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)稱為「第三代半導體」是中國大陸包藏野心,原因是大陸在第一代、第二代發展遠落後國際,企圖在第三代半導體急起直追躍為領導者,因此強烈建議台灣產官學界應將碳化矽、氮化鎵正名為「化合物半導體」,不應跟著大陸喊「第三代半導體」。到底碳化矽、氮化鎵應用在那些地方?這些材料製作有什麼困難?把它們稱為「第三代半導體」有錯嗎?

第三代半導體主要應用在功率元件與射頻元件

第一代半導體主要是矽(Si)與矽鍺(SiGe),應用非常廣泛,包括:處理器、記憶體、類比晶片、功率元件、射頻元件、感光元件等,幾乎所有電子產品都可以使用矽晶圓來製作,因此矽是整個半導體的核心。

第二代半導體主要是砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP),由於矽(Si)在高頻率的特性不佳,而通訊用的電磁波頻率又高,所以砷化鎵主要應用在射頻元件取代部分矽製作的元件,所謂的「射頻(RF:Radio Frequency)」就是指處理電磁波的元件。

第三代半導體主要是碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),由於矽(Si)在高電壓的特性不佳,而工業或車用電源的電壓又高,所以碳化矽主要應用在功率元件取代部分矽製作的元件,所謂的「功率元件(Power device)」就是指處理電源(電壓或電流)轉換的元件。

此外,由於矽(Si)在高頻率的特性不佳,開關速度比較慢,造成充電器內的被動元件體積較大,這也就是我們使用的手機充電器體積很大的原因,所以氮化鎵也可以應用在功率元件取代部分矽製作的元件,可以縮小充電器的體積,這樣以後我們要把充電器插到插座上就不會再卡卡的囉!

表一  第三代半導體主要應用在功率元件與射頻元件

第三代半導體,這名稱和前幾代半導體有何區別?(圖片來源:作者提供)
第三代半導體,這名稱和前幾代半導體有何區別?(圖片來源:作者提供)

把碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)稱為「第三代半導體」有錯嗎?

通常世代愈後面代表相對較進步,世代愈前面代表相對較落後,因此後面世代會取代前面世代的產品,例如:第四代(4G:4th Generation)行動電話會完全取代第三代(3G),因此把碳化矽與氮化鎵稱為「第三代」半導體,的確讓人誤以為會完全取代第二代的砷化鎵和第一代的矽。

事實上前面介紹過,碳化矽只會取代部分矽製作高電壓的功率元件,應用在電動車、太陽能逆變器等;氮化鎵只會取代部分矽與砷化鎵製作射頻元件,應用在基地台、衛星、雷達等,或是取代部分矽製作低電壓的功率元件,應用在充電器,並不會完全取代,由這個觀點或許把它稱為「第三類」半導體比較不會引起大家的誤會。 (相關報導: 通訊、5G、電動車,未來世界關鍵材料都是它!第三代半導體多重要,這篇一次看懂 更多文章

但是把碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)稱為「第三代半導體」事實上也沒有錯,因為世代愈後面代表相對較進步,以高電壓的特性來說,第三代的碳化矽的確是優於第一代的矽;以高頻率的特性來說,第三代的氮化鎵的確是優於第一代的矽與第二代的砷化鎵,要完全取代不是不行,只是價格太高沒有必要,明明是承受低電壓的應用,何必用承受高電壓的材料?但是不能因為沒有完全取代就說它不能叫「第三代」,更不必扯什麼「包藏野心」。

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