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【產業概觀】第三代半導體為電動車的關鍵，概念股一次看

鉅亨研報 2023-07-14 14:23

cover image of news article — 【產業概觀】第三代半導體為電動車的關鍵，概念股一次看。(圖:shutterstock)

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新聞上經常提及三星、台積電在先進製程工藝上的差距，包含 GAA、FinFET、GAA、Nanosheet 等技術，到底半導體是什麼？第三代半導體又有甚麼樣的優勢？本篇就帶大家來認識，一起來看看吧！

一、半導體是什麼？介於導電、不導電間的的材料

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半導體是材料的總稱，指的是製造晶片的原材料，因其介於導電和不導電之間，利用施加電壓的方式來控制電子流通或不導通（即 1 或 0）因此稱作「半導體」，又可分為主動元件與被動元件，主動元件泛指可以控制電子導通與不導通，通常也可以用再放大電壓或者電流，而被動元件則是無法控制導不導通，單純僅讓電子通過。

主要的材料即為透過沙子提煉出來的純矽，並且透過許多化學製程形成所謂的「矽晶棒」，最後再將圓柱狀的晶棒進行切片，就形成了「矽晶圓」，這也就是積體電路的基板，透過在基板上參雜不同的半導體，就能製作出不同半導體元件，來控制電子與電洞的移動，元件最小的單位即稱「電晶體」，電晶體上的閘極長度代表半導體製程的的進步程度，稱「閘極線寬」，就是新聞上經常提及的奈米工藝。

最初電晶體主要是平面式的，稱平面電晶體 (Planar FET)，然而在 20 奈米後因為體積的縮小，閘極越來越窄，電子們容易偷跑造成漏電，為了解決這個問題。

鰭式場效電晶體 (Fin FET) 因此問世，主要是將半導體由平面轉為立體 3D 增加接觸面積，好讓閘極更好的從 3 個面控制電子流通，這項技術是由前台積電技術長胡正明等五位教授所發明。

去年三星率先於 3 奈米導入 GAA 的技術，一度被市場認為將彎道超車台積電，而當今台積電也宣布將於 2 奈米導入新一代 Nanosheet 技術。

GAA 與 Nanosheet 兩者架構其實是相似的，皆由原來 3 個面控制電子變成 4 個面，可以想像成接觸面積增加，就可以更好控制電子防止漏電，在工藝相近的情況下，良率將會是影響台積電與三星的獲利關鍵。

二、半導體材料差異影響終端應用，第三代半導體為電動車的關鍵

半導體材料會根據參雜的物質不同而有著不同的特性，因此有著第一代、第二代、第三代半導體的差別，最被廣為使用的即為矽，原因是矽容易取得，除此以外也會使用鍺等元素。

這類由單一元素組成的半導體，也稱作「第一代半導體」、「元素半導體」，由兩種或以上的元素所組成的半導體，即稱「化合物半導體」，其中又可以分為第二代、第三代半導體。

這邊也要提醒大家，不是越新的代數就表示上一代就會被淘汰，而是根據物理特性的不同，產生不同的應用場景。

由上方圖片可以得知，各類的半導體皆有其適合的場景，比如說砷化鎵多應用在射頻元件，其中又以手機應用相對大宗，故在消費性電子需求疲軟時，相關的概念股就受到影響，而在 Type-C 供應鏈議題中，我們提及充電效率的提升主要就是因為氮化鎵的特性即為耐高溫、同時可以高頻運作，因此目前產品應用多在快速充電與電源管理等民生消費需求中使用，碳化矽則是因為其耐高溫高壓的特性，故適合用在逆變器，不但帶動電源供應與工業應用的趨勢，更為電動車的關鍵零組件，使得多國將其視為戰略物資。

基板長晶技術難度高，多國將其視為戰略物資

矽晶圓的製造主要是晶提煉、溶解、提純、蒸餾形成晶棒，在經過切片與拋光後形成晶圓。當中晶體長成晶棒的過程稱作長晶，比如說 SiC 長出 SiC 晶棒、矽晶體長出矽晶棒。

磊晶：在晶圓上長出新結晶形成半導體層的技術，磊晶完的晶圓再交給晶圓代工廠去製造晶片。

然而 SiC 基板長晶技術難度相當高，比方說當矽晶棒僅需 3 天就可以長出 200 公分高的晶棒，但 SiC 基板 7 天僅長出 2~5 公分。技術難度高也代表生產成本提升，且沒有基板，就無法磊晶生產 SiC 晶片。使得 SiC 基板當前被視為戰略物資，要大量取得並不容易。

當前長晶技術主要也掌握在大廠手中，如 Cree(現為 Wolfspeed)、羅姆等國外大廠，台廠相較落後。不過在 SiC 磊晶與晶圓代工與一般半導體製程差異不大，故台廠若能掌握長晶技術，就等於最重要的關鍵技術。

三、第三代半導體台廠供應鏈