【科技速解】第三代半導體 SiC 與 GaN 是什麼？電動車與 AI 的省電關鍵

Sonya
4天前
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已更新：3天前

秒懂重點：為什麼你現在非懂不可？

我們正同時迎向兩個「耗電巨獸」的時代：AI 的無盡算力和電動車的全面普及，這兩者都對電力系統提出了前所未有的渴求，然而我們所依賴的傳統「矽 (Si)」晶片，在扮演「電力轉換器」（像變壓器、整流器）的角色時，卻像一個會漏水的舊水管，在轉換過程中白白浪費了 10%~30% 的能量，並將其轉化為無用的「廢熱」。

第三代半導體 (Wide-Bandgap Semiconductors)，就是來修補這個巨大漏洞的未來材料，其家族中最耀眼的兩位明星，就是 碳化矽 (SiC) 和 氮化鎵 (GaN)。

它們的物理特性，讓它們在處理電力時遠比「矽」更有效率，如果說傳統矽晶片是「普通的銅線」，那 SiC 和 GaN 就像是「超導電纜」，能以極低的損耗傳輸和轉換電力。

這代表著什麼？

對電動車：使用 SiC 的逆變器，能讓整車效率提升 5-10%，這表示在「電池容量不變」的前提下，續航里程憑空多出 20-40 公里。
對你我：你手中那個小巧、不發燙的「快充頭」，就是 GaN 技術的功勞。
對 AI 資料中心：將電源供應器從矽換成 GaN，每年省下的電費可能高達數百萬美元。

這是一場正在發生的能源革命。誰掌握了 SiC 與 GaN 的量產技術，誰就扼住了電動車的續航、快充的速度和 AI 資料中心的電費帳單。

技術白話文：原理解析與核心突破

過去的瓶頸：它解決了什麼關鍵問題？

數十年來，功率半導體的材料都是「矽 (Si)」，但矽有一個天生的物理極限，這個極限可以用「能隙 (Bandgap)」來解釋。

比喻：什麼是能隙？
- 你可以把「能隙」想像成一道「河堤的高度」。
- 「電子」就是河水。
- 「電壓」就是水位壓力。
矽 (Si) 的瓶頸：
- 矽的「河堤」天生就很低，當電壓（水位）稍微一高，或者溫度一熱（河水蒸發），電子（河水）就很容易「溢堤」並失控地流向下游。
- 這種「溢堤」就是漏電 (Leakage) 和崩潰 (Breakdown)。
- 結果就是：為了安全，工程師不敢讓矽晶片承受太高的電壓和溫度，導致電動車的逆變器（控制馬達的關鍵）必須做得非常笨重（需要龐大的散熱片），而且充電速度也受到了限制。你手機的充電器，如果功率做大一點，就會熱到發燙。

它是如何運作的？(務必使用精妙比喻)

第三代半導體的 SiC 和 GaN，它們的優勢就在於擁有「寬能隙」——也就是說，它們的「河堤」天生就超級高！

寬能隙 (Wide-Bandgap)：
- SiC 和 GaN 的河堤高度（能隙）是矽的 3 倍以上。
- 這代表電子（河水）需要極大的能量（超高電壓）才能「溢堤」。
- 因此，它們天生就能在極高電壓、極高溫度下穩定工作，而且「堤防」本身（晶片）可以做得非常薄，體積大幅縮小。

同樣是寬能隙材料，SiC 和 GaN 也有各自的專長，它們就像是「重型卡車」和「輕型賽車」的區別：

1. SiC (碳化矽) = 重型卡車

特性：終極的耐力型選手，它的「河堤」最堅固，可以承受的電壓最高（可輕易超過 1200V）。
專長：適合處理「超高電壓、超大電流」的粗重工作。
比喻：它就是一台馬力全開的重型柴油卡車，專門用來拖動最重的貨物（龐大的電力）。
殺手級應用：
- 電動車主逆變器：特斯拉 (Tesla) 是第一個將 SiC 導入 Model 3 的車廠，震驚了業界。現在，所有追求高續航的 800V 平台電動車（如保時捷 Taycan、現代 Ioniq 5）都必須使用 SiC。
- 電動車充電樁、太陽能逆變器。

2. GaN (氮化鎵) = 輕型賽車

特性：敏捷的速度型選手，它的耐壓能力不如 SiC（目前主流在 650V 以下），但它有一個 SiC 望塵莫及的優點：極高的開關切換頻率。
專長：適合「高頻率、高效率」的精密工作。
比喻：它就像 F1 賽車，能以極高的轉速（頻率）運作，每一次「換檔」（開關）的能量損失都極小。
殺手級應用：
- 手機/筆電快充頭：GaN 的高頻率特性，允許工程師使用體積更小的電感和電容，這就是為什麼 GaN 快充頭能做到體積僅有傳統充電器一半的秘密。
- AI 資料中心電源：AI 伺服器耗電驚人，GaN 電源能將轉換效率從 90% 提升到 95% 以上，為 Google、Amazon 每年省下巨額電費。
- 5G 基站、車用光達 (LiDAR)。

為什麼這是革命性的？

SiC 和 GaN 不是單純的「改良」，它們是從物理層面開啟了新的可能。

SiC 對電動車：代表更少的能量浪費 = 更長的續航里程，同時，更耐高溫 = 更小的冷卻系統 = 更輕的車重 = 更低的成本和更長的續航（一個正向循環）。
GaN 對消費電子：代表著極致的小型化與效率，你不再需要攜帶磚塊一樣的筆電變壓器。
對全球電網：據估計，如果全球的電力轉換系統都改用寬能隙半導體，每年節省的電力，可能相當於數座核電廠的發電量。這對「淨零碳排」目標至關重要。

產業影響與競爭格局

誰是主要玩家？(供應鏈解析)

這是一個技術門檻極高、贏家通吃的賽道，且 SiC 和 GaN 的產業格局截然不同。

1. SiC (碳化矽) 戰場 SiC 的命脈在上游的「基板」（Substrate，即長晶），製造 SiC 晶錠的過程極其緩慢且良率極低，猶如在煉丹，誰掌握了基板，誰就掌握了 SiC 的定價權。

國際 IDM 巨頭：市場由歐美日大廠主導，它們自己長晶、自己設計、自己製造。
- Wolfspeed (美國)：絕對的龍頭，掌握最關鍵的基板技術。
- ST (意法半導體) / Infineon (英飛凌)：歐洲兩強，也是特斯拉等車廠的主力供應商。
- Onsemi (安森美) / Rohm (羅姆)：重要的市場玩家。
台灣供應鏈：
- 基板：環球晶、穩晟積極投入，試圖追趕。
- 磊晶/代工：漢磊、嘉晶是台灣 SiC 概念股的核心，承接 IDM 大廠的代工訂單。
中國大陸：三安光電、天科合達 等廠商在國家支持下，正不計成本地投入 SiC 基板研發，試圖突破「卡脖子」的局面。

2. GaN (氮化鎵) 戰場 GaN 的好處是它可以在現有成熟的「矽晶圓」上生長 (GaN-on-Si)，因此不需要昂貴的 GaN 基板，門檻相對較低。

設計公司 (Fabless)：
- Navitas (納微) / GaN Systems (已被 Infineon 收購) / Power Integrations (PI)：這些是 GaN 快充晶片設計的領導者。
晶圓代工 (Foundry)：
- 台積電 (TSMC)：全球 GaN 代工的領頭羊，憑藉其穩定的製程和龐大產能，為眾多 GaN 設計公司提供代工服務。
- 世界先進、聯電等也在積極佈局 GaN-on-Si 代工。

技術的普及時程與挑戰

SiC 的挑戰 (成本)：SiC 基板的成本依然是矽的 5-10 倍。如何快速擴產 8 吋基板、降低成本，是普及的唯一關鍵。特斯拉一度宣稱要減少 SiC 用量，就是被高昂的成本所困。
GaN 的挑戰 (電壓)：目前 GaN-on-Si 在 650V 以上的可靠性仍面臨挑戰，使其難以進入電動車「主逆變器」等超高壓領域。
時程：GaN 已在快充市場全面爆發；SiC 則在電動車的 800V 平台驅動下，正進入黃金十年的高速成長期。

潛在的風險與替代方案

風險：成本下降速度不如預期，導致市場滲透率放緩。
替代方案：短期內沒有。改良型的矽基晶片 (如 IGBT、Super Junction) 仍在低階市場防守，但在效能上已無法與 SiC/GaN 競爭，唯一的替代方案是等待下一代「第四代半導體」（如氧化鎵 Ga2O3）的出現，但那可能還需要 10-15 年。

未來展望與投資視角

第三代半導體的崛起，並非要「取代」矽，而是一場完美的「分工合作」，未來的電子設備中，將由矽 (Si) 擔任「大腦」（負責邏輯運算與思考），而 SiC/GaN 擔任「心臟與肌肉」（負責高效的電力轉換與驅動）。

對投資人而言，這場能源效率之戰提供了清晰的投資脈絡：

SiC 賽道：得基板者得天下。這是一場重資產競賽，觀察的唯一指標就是 Wolfspeed、Rohm、ST 等巨頭在 8 吋 SiC 基板的擴產速度與良率。
GaN 賽道：關注下一個殺手級應用。快充市場已是紅海，GaN 的下一個爆發點在於「AI 資料中心」和「車載充電器 (OBC)」的訂單滲透率。
台灣的機會點：台灣在 SiC 基板上處於追趕地位，但在「晶圓代工」領域（台積電的 GaN、漢磊/嘉晶的 SiC）則扮演著不可或缺的關鍵角色，是全球供應鏈的重要一環。
這是一場能源效率之戰：過去，我們投資半導體是為了「更快的算力」；未來，我們投資第三代半導體，是為了「更綠色的能源效率」。這條賽道將與全球「淨零碳排」趨勢同行，擁有長達十年的成長潛力。