第三代半導體是指相對於第一代和第二代而言的新一代半導體技術。第一代半導體泛指的是以矽為主要材料的半導體晶片，第二代半導體則是以三五族化合物為主要材料，包括砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。第三代半導體則以碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表，其主要特色包括材料的變革、能源效率的提升、高頻率操作、高溫操作、高功率密度、高電流密度等。

圖一 : 第三代半導體具有更高的電子遷移率、更好的熱導性、較寬的能隙等特性，使得它們在特定應用中有著顯著的優勢。（source：Intel）

第三代半導體特性

第三代半導體的代表性材料包括碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。這些材料相較於傳統的矽材料，具有更高的電子遷移率、更好的熱導性、較寬的能隙等特性，使得它們在特定應用中有著顯著的優勢。以下是第三代半導體的主要應用領域：

●能源轉換與儲存：SiC和GaN半導體在能源轉換具有很高效率，特別是在太陽能逆變器、電動車充電器以及工業變頻器等高效率轉換應用。

●雷射與照明：GaN可以用於高效能的雷射二極體和發光二極體，適用於照明、顯示技術和通訊應用。

●無線通訊：GaN能夠實現高功率密度的射頻（RF）功率放大器，因此在無線通訊系統中有廣泛應用，如基地台和雷達系統。

●高溫環境：SiC和GaN能夠在高溫環境下穩定運行，因此適用於航空太空、高溫工業加工等需要在高溫環境中操作的應用。

針對電力能源，SiC和GaN元件在太陽能逆變器中可以實現高效率的能量轉換，提高太陽能發電系統的效能。透過高頻率運作的GaN元件，風力發電轉換系統的效率可以得到提升。而SiC和GaN元件在能源儲存系統中的高效能轉換，有助於提高電池充放電效率。

在電動車上，電動車主逆變器是將電池輸出的直流能轉換成馬達所需的交流能的關鍵元件。SiC和GaN元件的高效能特性可以提高電動車的效能和續航里程。電動車中的DC/DC轉換器將電池輸出的電壓轉換成適合供應輔助系統的電壓。SiC和GaN元件的高效能可以減少能源損耗。另外使用SiC和GaN元件的充電樁可以實現高功率快充，縮短電動車的充電時間。

對於工業市場，SiC和GaN元件在工業變頻器中可以實現高效率的能源轉換，提高工業設備的效能。另外使用高頻率運作的GaN元件，可以實現工業無線充電系統，方便機械設備的充電。

針對通訊和雷達應用，射頻功率放大器（RFPA）是很重要的一個裝置，GaN元件的高功率密度和高頻率運作特性，使其在無線通訊、雷達和微波應用中得到廣泛應用。

歐美日廠為供應商主軸

歐美日的多家功率元件供應商在SiC和GaN領域都有相當積極的投資和發展，這顯示了他們對這些新興功率元件在電動車、能源轉換和基礎建設等領域的應用潛力的高度關注。他們的擴產計劃和投資意願反映了市場對這些技術的快速增長需求。

●Infineon：Infineon是歐洲半導體公司，在SiC和GaN領域都有投資和發展。他們投資20億歐元來擴展德國和馬來西亞的廠房，預計2024年開始進行量產，這表示該公司對這兩種功率元件的需求非常看好。

●STMicroelectronics：ST在Catania（義大利）和新加坡準備進行SiC元件的量產，並且計劃在2023年進入量產，到2025年預計產能可以提升兩倍，積極擴展SiC產能將能滿足市場需求。

●ROHM：ROHM針對SiC晶圓供應方面擁有不同戰略，他們在2009年收購了德國的SiCrystal AG，提供SiC晶圓。同時，他們計劃在日本的筑後廠和宮崎廠進行SiC元件的量產，預計在2025年前開始在八吋廠進行SiC元件的量產。

●On Semiconductor：On Semi在美國新罕布夏州建立了全新SiC廠房，這顯示他們也在積極投資和擴展SiC領域的生產能力。

●Toshiba： Toshiba在第三代半導體方面，目前只專注於SiC方案，在電動車和電力轉換領域具有很大潛力。

●Wolfspeed：Wolfspeed是Cree的子公司，正專注於SiC元件的開發和生產。

測試挑戰

圖二 : 透過高頻率GaN元件，風力發電轉換效率可以得到提升。

工程師在第三代半導體晶片和功率元件的研發和生產過程中，面臨到一系列測試的難題和挑戰。這些生產挑戰包括以下幾點：

高壓放電測試

第三代半導體晶片和功率元件常需要在高電壓環境下運行，這使得高壓放電測試變得關鍵。高壓放電測試需要精密的測試設備和可靠的測試方法，以確保在高電壓操作下元件的可靠性和穩定性。

大電流測試

第三代功率元件常需處理高電流，例如高功率密度的功率放大器。大電流測試需要相應的電流供應設備、熱管理技術以及測試方案，以確保元件在高電流操作下不受損並保持良好的性能。

高溫性能測試

第三代半導體在高溫環境下操作時的性能表現通常更為關鍵。高溫性能測試需要模擬高溫環境，同時保持可靠的測試精度，以評估元件在極端條件下的性能和可靠性。

超薄翹曲晶圓轉運

第三代半導體晶片通常使用較薄的SiC或GaN晶圓，這些晶圓更脆弱且易彎曲。在生產過程中，需要精確的晶圓處理技術，以避免破裂或翹曲對元件性能的影響。

封裝和散熱挑戰

第三代半導體在高功率和高電流操作下產生大量熱量，因此封裝和散熱變得尤其重要。工程師需要開發高效的封裝技術和散熱解決方案，以確保元件能夠在長時間高負載下穩定運行。

可靠性和壽命測試

高電壓、大電流、高溫等極端條件可能對元件的壽命和可靠性產生影響。工程師需要開發適合的測試方法和加速壽命測試，以評估元件在實際應用中的長期可靠性。

測試自動化

第三代半導體的特殊性能和測試要求，可能需要定制的測試設備和自動化系統。工程師需要開發相應的測試設備和自動化流程，以提高測試效率和可靠性。

結語

總之，第三代半導體，特別是碳化矽和氮化鎵，已經在電力能源、電動車、工業市場等多個領域中找到了具體的應用。其高效率、高功率密度和高頻率運作特性使得它們成為現代能源轉換和電動化趨勢的關鍵技術。隨著技術的不斷發展，可望在這些領域中見證更多創新和應用。

第三代半導體在能源轉換、通訊、照明等領域展示了巨大的應用潛力，但在開發和應用過程中仍然需要解決材料成本、製程技術、封裝技術、熱管理、可靠性測試等方面的挑戰。這些挑戰的解決，將有助於推動第三代半導體的商業化發展和廣泛應用。