新聞說的「第三代半導體」是什麼？碳化矽、氮化鎵白話解釋

新聞常說「第三代半導體」「電動車用碳化矽」「氮化鎵快充」。新聞說的第三代半導體，多半指兩種材料：碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。它們的共同點是「能隙」比矽寬得多，所以也叫寬能隙半導體。這裡的「第三代」說的是做晶片的材料，不是比較新的一代矽製程，跟「2 奈米」是兩回事。

為什麼叫「第三代」？

這是中文媒體常用的分法，大致照材料開始大量使用的先後排：

• 第一代：矽和鍺，都是單一種元素。現在絕大多數晶片都是矽做的。
• 第二代：砷化鎵、磷化銦這類化合物半導體，也就是兩種元素合起來的材料，常用在手機裡放大無線訊號的零件、光纖通訊用的雷射。
• 第三代：碳化矽（矽加碳）、氮化鎵（鎵加氮），也是化合物，能隙特別寬。

英文通常不說「第幾代」，直接叫寬能隙半導體（wide-bandgap semiconductor，縮寫 WBG）。「第三代」也不是把前兩代換掉，三代的材料現在都在用。

能隙是什麼？

「半導體是什麼？」那一篇用「手」來想：矽原子用四隻手牽著旁邊的原子，電子被牽著，就跑不動。要讓電子放開手、自由地跑（也就是導電），得給它一點力氣，也就是能量。最少要給多少能量，電子才「跳得起來」開始導電，就是能隙。

把它想成一個台階：電子跳上去才跑得動，台階越高越難跳。

單位 eV 叫電子伏特，是一個電子被 1 伏特的電壓推一下得到的能量。

材料	能隙（大約）
矽	1.1 eV
砷化鎵	1.4 eV
碳化矽	3.2～3.3 eV
氮化鎵	3.4 eV

碳化矽、氮化鎵的台階差不多是矽的三倍高，這就是「寬能隙」。

能隙寬，有什麼好處？

撐得住更高的溫度

溫度越高，原子抖得越厲害，會把一些電子抖得掙脫。矽的台階矮，太熱時，自己跳起來的電子比刻意摻雜放進去的還多，開關就關不住，一直漏電。碳化矽、氮化鎵的台階高，在比矽高很多的溫度下，還能正常開關。

撐得住更高的電壓

電壓很高時，材料裡的電場很強，會把電子硬扯出來。扯出來的電子又撞出更多電子，像雪崩一樣，元件就壞了。台階高的材料，要強得多的電場才扯得開：碳化矽、氮化鎵撐得住的電場，大約是矽的十倍。

開關快、浪費的電少

撐得住十倍的電場，要擋住同樣的電壓，擋電壓的那一層就能薄到大約十分之一。這一層薄，電流通過的阻力就小得多，元件也能做小。元件小，每次切換要充進、放掉的電就少（像「電晶體是什麼？」那一篇說的小杯子），所以切換得快，浪費的熱也少。

為什麼「開關快」這麼重要？

因為這兩種材料常拿來做管電的開關（功率元件）。插座的電、電動車電池的電，都要轉換才能給手機、馬達用：讓開關一秒切換非常多次，把電切成一小段一小段，再整理成需要的電壓。每切一次都會浪費一點電、變成熱。開關浪費得少，就省電、不燙；切換得快，裡面的線圈和電容就能做小，充電器跟著變小。

碳化矽、氮化鎵各用在哪？

兩者擅長的地方不太一樣：

• 碳化矽：擅長更高的電壓、更大的功率，散熱也比矽好。常見在電動車上管馬達用電的那一塊、車上的充電器、充電樁，還有太陽能發電併入電網的設備。
• 氮化鎵：擅長切換得很快，多用在電壓沒那麼高（大約幾百伏以內）的地方。常見在手機、筆電的快充充電器、伺服器的電源，還有基地台、雷達裡放大無線訊號的零件。藍光、白光 LED 也是氮化鎵這類材料做的。

那為什麼不全部改用它們？

• 晶體很難長：矽晶棒是從熔化的矽裡一邊轉、一邊拉出來的（「晶圓為什麼是圓的？」）。碳化矽主要是在兩千多度的高溫下，讓粉末變成氣體，再在一小塊種晶上慢慢凝結，比拉矽晶棒慢上幾十倍到上百倍，晶體裡也比較容易有缺陷。
• 又硬又難切：碳化矽的硬度接近鑽石，很難切、很難磨，很花時間。
• 晶圓小又貴：碳化矽晶圓常見的是 15 公分（6 吋），正在往 20 公分（8 吋）做大，比 30 公分（12 吋）的矽晶圓小，一片能做的元件少，每一片又貴得多。
• 氮化鎵多半長在別的晶圓上：大塊的氮化鎵晶體很難做，通常是在矽、碳化矽或藍寶石晶圓上長一層薄薄的氮化鎵。兩種材料的原子間距不一樣，像兩種尺寸的磚頭硬疊在一起，交界容易出缺陷。
• 良率：缺陷落在哪一顆元件，那一顆就可能擋不住電壓或漏電；管大電流的元件常做得比較大，更容易碰到缺陷，良率難做高（「新聞說的「良率」」）。

而且手機處理器、記憶體這種塞上百億個小開關的晶片，靠的是把開關做小、做多，用不上寬能隙的好處；電壓不高的電源晶片，矽也夠用。所以大部分晶片，包括大部分管電的晶片，還是矽做的。

它跟「2 奈米」是同一件事嗎？

不是。「2 奈米」是矽晶片一代製程的名字，比的是同一塊地方塞得下多少開關（「新聞說的「2 奈米」」那一篇講過）；「第三代半導體」是換材料，比的是扛不扛得住高電壓、大電流和高溫。

管電的開關要讓大電流通過、擋住高電壓，本來就得做大，用不到最小的線寬，跟「新聞說的「成熟製程」」那一篇講的電源晶片一樣。兩邊解的是不同的問題，沒有誰比較先進。

下次看到新聞，可以這樣讀

• 「第三代半導體」：多半指碳化矽和氮化鎵這兩種能隙寬的材料，不是新一代的矽製程。
• 「電動車改用碳化矽」：車上管馬達、管充電的開關改用碳化矽做，轉換時浪費的電少一點，零件可以小一點。
• 「氮化鎵快充」：充電器裡的開關用氮化鎵做，切換得快，充電器能做得更小。
• 「第四代半導體」：新聞有時這樣叫氧化鎵、鑽石這類能隙更寬的材料，大多還在研究、起步階段。

在 fab24hr 裡

遊戲裡的晶圓廠做的是矽晶片，一盒裝 25 片直徑 30 公分（12 吋）的矽晶圓，沒有做碳化矽或氮化鎵的廠。

不過做法很多是相通的：碳化矽元件一樣要在晶圓上用黃光印圖案、蝕刻、長膜、打進原子、高溫加熱。差別在條件：摻進碳化矽的原子幾乎不會自己擴散，所以局部摻雜幾乎只能靠離子植入；打完要在一千五百度以上退火，比矽晶圓在爐管裡常用的八百到一千兩百度高得多。

在「打工人的一天」的「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到製程工程師，在名字下面點「植入」或「爐管」，顧的就是矽晶圓的摻雜和加熱。遊戲裡的公司、人物、機台都是虛構的；這篇照公開的一般資料寫，來源不一致的數字只寫量級。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。