第三代半导体是指相对於第一代和第二代而言的新一代半导体技术。第一代半导体泛指的是以矽为主要材料的半导体晶片，第二代半导体则是以三五族化合物为主要材料，包括砷化??（GaAs）、磷化??（InP）等。第三代半导体则以碳化矽（SiC）和氮化??（GaN）为代表，其主要特色包括材料的变革、能源效率的提升、高频率操作、高温操作、高功率密度、高电流密度等。

图一 : 第三代半导体具有更高的电子迁移率、更好的热导性、较宽的能隙等特性，使得它们在特定应用中有着显着的优势。（source：Intel）

第三代半导体特性

第三代半导体的代表性材料包括碳化矽（SiC）和氮化??（GaN）。这些材料相较於传统的矽材料，具有更高的电子迁移率、更好的热导性、较宽的能隙等特性，使得它们在特定应用中有着显着的优势。以下是第三代半导体的主要应用领域：

●能源转换与储存：SiC和GaN半导体在能源转换具有很高效率，特别是在太阳能逆变器、电动车充电器以及工业变频器等高效率转换应用。

●雷射与照明：GaN可以用於高效能的雷射二极体和发光二极体，适用於照明、显示技术和通讯应用。

●无线通讯：GaN能够实现高功率密度的射频（RF）功率放大器，因此在无线通讯系统中有广泛应用，如基地台和雷达系统。

●高温环境：SiC和GaN能够在高温环境下稳定运行，因此适用於航空太空、高温工业加工等需要在高温环境中操作的应用。

针对电力能源，SiC和GaN元件在太阳能逆变器中可以实现高效率的能量转换，提高太阳能发电系统的效能。透过高频率运作的GaN元件，风力发电转换系统的效率可以得到提升。而SiC和GaN元件在能源储存系统中的高效能转换，有助於提高电池充放电效率。

在电动车上，电动车主逆变器是将电池输出的直流能转换成马达所需的交流能的关键元件。SiC和GaN元件的高效能特性可以提高电动车的效能和续航里程。电动车中的DC/DC转换器将电池输出的电压转换成适合供应辅助系统的电压。SiC和GaN元件的高效能可以减少能源损耗。另外使用SiC和GaN元件的充电桩可以实现高功率快充，缩短电动车的充电时间。

对於工业市场，SiC和GaN元件在工业变频器中可以实现高效率的能源转换，提高工业设备的效能。另外使用高频率运作的GaN元件，可以实现工业无线充电系统，方便机械设备的充电。

针对通讯和雷达应用，射频功率放大器（RFPA）是很重要的一个装置，GaN元件的高功率密度和高频率运作特性，使其在无线通讯、雷达和微波应用中得到广泛应用。

欧美日厂为供应商主轴

欧美日的多家功率元件供应商在SiC和GaN领域都有相当积极的投资和发展，这显示了他们对这些新兴功率元件在电动车、能源转换和基础建设等领域的应用潜力的高度关注。他们的扩产计划和投资意愿反映了市场对这些技术的快速增长需求。

●Infineon：Infineon是欧洲半导体公司，在SiC和GaN领域都有投资和发展。他们投资20亿欧元来扩展德国和马来西亚的厂房，预计2024年开始进行量产，这表示该公司对这两种功率元件的需求非常看好。

●STMicroelectronics：ST在Catania（义大利）和新加坡准备进行SiC元件的量产，并且计划在2023年进入量产，到2025年预计产能可以提升两倍，积极扩展SiC产能将能满足市场需求。

●ROHM：ROHM针对SiC晶圆供应方面拥有不同战略，他们在2009年收购了德国的SiCrystal AG，提供SiC晶圆。同时，他们计划在日本的筑後厂和宫崎厂进行SiC元件的量产，预计在2025年前开始在八寸厂进行SiC元件的量产。

●On Semiconductor：On Semi在美国新罕布夏州建立了全新SiC厂房，这显示他们也在积极投资和扩展SiC领域的生产能力。

●Toshiba： Toshiba在第三代半导体方面，目前只专注於SiC方案，在电动车和电力转换领域具有很大潜力。

●Wolfspeed：Wolfspeed是Cree的子公司，正专注於SiC元件的开发和生产。

测试挑战

图二 : 透过高频率GaN元件，风力发电转换效率可以得到提升。

工程师在第三代半导体晶片和功率元件的研发和生产过程中，面临到一系列测试的难题和挑战。这些生产挑战包括以下几点：

高压放电测试

第三代半导体晶片和功率元件常需要在高电压环境下运行，这使得高压放电测试变得关键。高压放电测试需要精密的测试设备和可靠的测试方法，以确保在高电压操作下元件的可靠性和稳定性。

大电流测试

第三代功率元件常需处理高电流，例如高功率密度的功率放大器。大电流测试需要相应的电流供应设备、热管理技术以及测试方案，以确保元件在高电流操作下不受损并保持良好的性能。

高温性能测试

第三代半导体在高温环境下操作时的性能表现通常更为关键。高温性能测试需要模拟高温环境，同时保持可靠的测试精度，以评估元件在极端条件下的性能和可靠性。

超薄翘曲晶圆转运

第三代半导体晶片通常使用较薄的SiC或GaN晶圆，这些晶圆更脆弱且易弯曲。在生产过程中，需要精确的晶圆处理技术，以避免破裂或翘曲对元件性能的影响。

封装和散热挑战

第三代半导体在高功率和高电流操作下产生大量热量，因此封装和散热变得尤其重要。工程师需要开发高效的封装技术和散热解决方案，以确保元件能够在长时间高负载下稳定运行。

可靠性和寿命测试

高电压、大电流、高温等极端条件可能对元件的寿命和可靠性产生影响。工程师需要开发适合的测试方法和加速寿命测试，以评估元件在实际应用中的长期可靠性。

测试自动化

第三代半导体的特殊性能和测试要求，可能需要定制的测试设备和自动化系统。工程师需要开发相应的测试设备和自动化流程，以提高测试效率和可靠性。

结语

总之，第三代半导体，特别是碳化矽和氮化??，已经在电力能源、电动车、工业市场等多个领域中找到了具体的应用。其高效率、高功率密度和高频率运作特性使得它们成为现代能源转换和电动化趋势的关键技术。随着技术的不断发展，可??在这些领域中见证更多创新和应用。

第三代半导体在能源转换、通讯、照明等领域展示了巨大的应用潜力，但在开发和应用过程中仍然需要解决材料成本、制程技术、封装技术、热管理、可靠性测试等方面的挑战。这些挑战的解决，将有助於推动第三代半导体的商业化发展和广泛应用。