淺談第三代半導體材料：碳化矽

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第三代半導體材料-碳化矽是目前高科技領域最熱門的話題，在 5G、電動車、再生能源、工業 4.0 發展中扮演不可或缺的角色，即使常聽到這些消息，相信許多人對它仍一知半解，好比第三代半導體到底是什麼？

第三代半導體又稱化合物半導體主要以碳化矽(Sic)與氮化鎵(GaN)為代表

雖說稱為第三代半導體，但與第一代第二代半導體並不衝突，第一代應用於中央處理器及消費IC、第二代多應用於手機通訊晶片、第三代則用在5G、電動車及衛星通訊。

今天的主角-碳化矽
化學式SiC，俗稱金剛砂，為矽與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物, 碳化矽在大自然中以莫桑石這種礦物的形式存在，但因為十分稀少目前大多為人工合成，碳化矽從最開始的磨料與切割用具使用直到現今發展為功率電子元件,擁有許多特殊之處;Si和C以1對1比例結合之IV-IV群化合物半導體以Si和C之原子對作為單位層的最緊密填充構造，有各種晶型存在。

結合力極強　⇒　熱量上、化學上、機械上皆安定

機械安定性：摩斯硬度（9.3）足以與鑽石（10）匹敵

化學安定性：對幾乎所有酸、鹼呈惰性
更具有耐高溫以及高壓的特性，在高壓、大電流產品擁有極佳的表現。

因此目前市場普遍看好電動車市場的應用，包括充電樁、電動車逆變器、DC/DC轉換器等，另還有儲能系統和工業設施。
從高電壓和散熱功能看，第三代半導體碳化矽元件效能比氮化鎵元件更好，
碳化矽元件快速充電與可靠度更佳也具優勢。

電動車、5G 對於功率元件需求高，帶動第三代半導體發展。

功率元件，是電子裝置的電能轉換與電路控制的核心;主要用途包括變頻，整流，變壓，功率放大，功率控制等，並同時可具有節能的功效，因此功率元件廣泛應用於移動通訊，消費電子，新能源交通等眾多領域。碳化矽模組目前主要是電動車大廠特斯拉（Tesla）帶動採用，導入逆變器和車載充電器應用，不過他家電動車廠採碳化矽模組時間最快也要到 2023 年。由於電動車用絕緣柵雙極電晶體模組和碳化矽模組產線基本上可共用，因此台灣廠商除了布局電動車用絕緣柵雙極電晶體模組，也同步開發碳化矽模組。

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根據工研院產業科技國際策略發展所估計，2020 年全球化合物半導體產值大於 1,000 億美元，占整體半導體產值約 18.6%；到了 2025 年，全球化合物半導體產值將成長至1,780 億美元.碳化矽市場預計在未來五年內的年成長率可達30%-40%!  從第三代半導體製程的角度上來看，高純度的碳化矽粉料為長晶級碳化矽粉關鍵，製備良好的碳化矽粉末則須將碳化矽粉研磨至奈米等級。

NT奈米陶瓷研磨機腔體示意圖

NT陶瓷奈米研磨機專門針對難研磨與需要足夠研磨能量的材料設計, 具有獨特的研磨渦輪系統、有效地提高研磨效率、降低功率消耗和不必要的發熱量,腔體內部接觸材料部件為全陶瓷結構,筒體更為碳化矽材質, 除了硬度高耐磨耗外,相較其他筒體材質更大大減少了磨耗汙染碳化矽粉的機率, 也使純度有一定保證.機台提供各種細項與客製化服務,研磨程序採產線式設計大幅降低生產成本與時間.

結語：

台灣在半導體產業相當強勢，從原本基礎上延伸至第三代半導體材料，客戶和通路重疊性高，也有許多單位在做化合物半導體以及研究關鍵設備的開發，加快腳步讓整個產業鏈完整化，將會對未來十分有利。

參考來源：
碳化矽發展長晶為關鍵，台廠需加快腳步 https://technews.tw/2021/09/24/silicon-carbide-taiwan/
第3代半導體全球掀投資熱！專家：得碳化矽基板者將得天下
https://www.bnext.com.tw/article/64631/sic-gan
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https://www.inside.com.tw/article/23441-ev-popular