過去 30 年，台積電、聯電擅長製造的邏輯 IC，基本上都是以矽為材料。「矽基本上是一種相當全能的材料。」工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨觀察。 但矽也有一些弱點，如果用門比喻，用矽做的半導體，就像木頭做的木門，輕輕一拉就能打開（從絕緣變成導電）。 市場剛起步，誰能成為下個勝利者？ 第 2 代或第 3 代化合物半導體就像鐵門，甚至金庫大門，需要很大力氣，要施加高電壓，才能讓半導體材料打開大門，讓電子通過。因此要處理高電壓、高頻訊號，或是在訊號轉換速度，第 3 代半導體都優於傳統矽材料。 目前，坊間所稱的第 2 代半導體，指的是砷化鎵、磷化銦這兩種半導體材料，「這是 1980 年代發展出來的技術。」拓墣產業研究院分析師王尊民說，現在所稱的第 3 代半導體，指的是氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）這兩種材料，「這是 2000 年之後才開始投入市場的新技術。」 第 3 代半導體的市場還在起步階段，「第 2 加第 3 代半導體占全球半導體市場的比率，不到一成，如果只看第 3 代半導體，也約只有百分之一。」王尊民說。而根據工研院產科國際所統計，化合物功率半導體（即第 2 和第 3 代半導體）2020 年市場規模約 298 億美元，但 2025 年會成長到 361.7 億美元，2030 年更可逾 430 億美元，成長潛力大。 尤其，第 3 類半導體並不好做，以通訊晶片為例，要按照不同的通訊需求，選擇不同的材料，在原子等級的尺度下精確排好，難度有如給你各種不同形狀的石頭，堆出一座穩固的高塔，誰能用這些材料，生產出更省電、性能更好的電晶體，就是這個市場的勝利者。 目前，第 3 代半導體有 3 個主要應用市場。第一，是將氮化鎵材料用來製作 5G、高頻通訊的材料（簡稱 RF GaN）。過去 20 年，許多人想用成熟的矽製程，做出可以用在 5G 高頻通訊上的零組件，最有名的是高通在 2013 年推出的 RF 360 計畫。當時，市場上的擔心，高通這項新技術推出之時，就是生產通訊用化合物半導體製造商的「死期」，穩懋股價還曾因此重挫。 3 個主要市場，愈難做毛利愈高 結果，高通生產出來的矽晶片非常燙，完全沒辦法用在手機上；後來，連高通都回頭跟穩懋下單。業界人士觀察，通訊會愈來愈往高頻發展，未來高頻通訊晶片都是化合物半導體的天下，王尊民觀察，這個領域也是化合物半導體製造毛利率最高的部分，像穩懋和宏捷科的毛利都在三至四成。 第二個市場，是用氮化鎵製造電源轉換器（簡稱 Power GaN），這是目前最熱門的領域。過去生產相關產品，最難的部分是取得碳化矽的基板，採訪時，陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼拿出一片碳化矽基板，一片 6 吋寬圓片，要價高達 8 萬元。 但近幾年，市場開始出現將氮化鎵堆疊在矽基板上的技術（GaN on Si）。這種技術大幅降低化合物半導體的成本，用在生產處理數百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。目前市面已可看到，原本便當大小的筆電變壓器，做到只有餅乾大小，OPPO、聯想等公司，更積極要把這種技術內建於高階手機和筆電。 3 月 1 日，野村證券發表題為「A GaN Changer」的產業報告，認為未來 2~3 年，第 3 代半導體將重塑全球消費性電源市場，取代用矽製作的 IGBT 電源管理晶片。野村證券報告預估，2023 年，這個市場產值每年將以六成以上速度成長。張翼也認為，第 3 代半導體能源轉換效率能達到 95% 以上，一旦大幅採用，「台灣能省下一座核能電廠的電」。 重塑消費電源版圖，年成長上看六成 第三個市場則是碳化矽供電晶片（SiC）。碳化矽材料的特殊之處在於，如果要轉換接近 1,000 伏特以上的高電壓，就只有碳化矽能做到這樣的要求；換句話說，如果要用在高鐵，用在轉換風力發電，或是推動大型的電動船、電動車，用碳化矽都能做得更有效率。 過去電動車都使用矽製成的 IGBT 電源轉換晶片，但特斯拉 Model 3 首次採用意法半導體製造的碳化矽元件，為電動車轉換電能。根據英飛凌提供的數據，同樣一輛電動車，換上碳化矽晶片後，續航力能提高 4%，由於電動車每一分電源都極為昂貴，各家車廠都積極布局碳化矽技術。英飛凌預期，到 2025 年，碳化矽晶片將占汽車電子功率元件兩成。 2018 年，日本羅姆半導體宣布，在 2024 年之前將增加碳化矽產能 16 倍。法國雷諾汽車也宣布，和意法半導體結盟，所需的碳化矽晶片由意法半導體獨家供應。2019 年，德國福斯集團跟美國 Cree 合作，由 Cree 獨家和福斯合作發展碳化矽技術，同年 Cree 也宣布投資 10 億美元，興建巨型碳化矽工廠。所有人都已經看到，過去汽車是否省油，是由引擎決定，未來電動車要如何省電，則是由第 3 代半導體技術決定。 台積電在這個領域，早已發展多年，其他台灣公司是向歐洲技轉，但台積電則是自己花錢，由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始研究。外界觀察，台積電仍是以矽基板的化合物半導體為主，這種技術在通訊上應用有限，但在電動車等應用相當有競爭力。根據台積電年報，台積電在矽基板氮化鎵，2020 年已開發出 150 伏特和 650 伏特兩種平台。台積電將因此搭上電動車第 3 代半導體的成長大潮。2020 年 2 月，意法半導體宣布和台積電合作，台積電已經為意法生產車用的化合物半導體晶片。 ▲ 台積電董事長劉德音布局下，2020 年公開和意法半導體合作。 未來技術發展，攸關電動車省電能力 消費性電子用的電源轉換晶片，外資指出台積電從 2014 年開始就幫愛爾蘭的 IC 設計公司 Navitas 代工生產。2021 年 Navitas 宣布，賣出 1,300 萬個第 3 代半導體變壓器，目前每個月出貨量達到 100 萬個，良率幾乎百分之百。由於 Navitas 在這個領域擁有五成市占率，也證明台積電早已悄悄靠第 3 代半導體賺錢。 這種化合物半導體目前主要仍在 6 吋設備生產，但台積電的技術現在已能改用 8 吋設備生產，效率更高。這項技術發展成熟之後，台積電舊有的 8 吋廠，由於折舊早已完成，換上化合物半導體新應用，獲利還會進一步提高。 世界先進因為擁有大量 8 吋設備，也跟台積電採取相同的策略，大力發展矽基的氮化鎵晶片製造技術，以提升附加價值。世界先進董事長方略受訪時表示，正積極建立完整的氮化鎵加工技術，除了前後段製程都自行完成，也會建立自己的晶圓薄化技術。 中美晶則是另一股積極投資第 3 代半導體的勢力，除了 2020 年底成為宏捷科最大股東，切入通訊用化合物半導體製造外，本刊採訪得知，中美晶旗下環球晶第 3 代半導體基板技術也逐漸成形，但仍需克服良率和成本問題。 同時，中美晶也在悄悄整合資源，另一路布局切入車用第 3 代半導體市場。中美晶董事盧明光的長子盧建志，目前是茂矽董事。茂矽年報中揭露，茂矽正在積極發展氮化鎵的快充技術。盧明光目前出任大同董事長，大同也有自製國產電動大巴電力系統的技術，本刊採訪盧明光，他也是朋程董事長，盧明光表示，目前 6 吋的矽晶圓價格是 20 美元，6 吋碳化矽要 1,500 美元，當碳化矽成本降到 750 美元，車用碳化矽的 MOSFET 就有機會普及，他估計「大概還要 5 年以上」。 ▲ 3 月 2 日，大同董事長盧明光（右二）、執行副總戴豐樹（右一）發表台灣首款電動巴士動力系統。 台積電、中美晶、漢民，主要逐鹿者 漢民集團則是最早布局化合物半導體的公司，在結束瀚薪之前，漢民從車用化合物半導體晶片設計（瀚薪），基板和磊晶技術（嘉晶），到代工製造（漢磊），體系十分完整。漢磊也是台灣少數同時能製造氮化鎵和碳化矽晶片的公司，也因此，瀚薪的解散更讓人覺得不尋常。 此外，富采（原晶電）由於 LED 製造原本就需要化合物半導體磊晶技術，2018 年也將旗下代工事業分割出來，成立晶成半導體，專攻化合物半導體製造。2019 年，環宇-KY 也投資晶成，目前晶成也有能力提供矽基氮化鎵功率半導體製造服務。 根據張翼觀察，目前台灣在第 3 代半導體領域，是「製造強，兩端弱」，做代工製造的公司很多，但有能力設計第 3 代半導體 IC 設計的公司卻不多。高頻電路設計需要數學、物理、電磁波理論基礎，功率 IC 設計需機電（機械、電子、電機）整合背景，設計人才非常稀有。另外，台灣也需要突破基板製造的技術；例如，製造通訊 IC 需要絕緣碳化矽基板，如果台灣有能力自製基板，穩懋和宏捷科的發展會更為快速。 在發展第 3 代半導體上，不管台灣還是中國，與歐美仍有不小的差距。名列全球前 10 大半導體廠英飛凌，高級經理高金萍接受本刊採訪時表示，目前全球主流車廠電動車規格已往 800 伏特高壓平台發展，意即對台廠來說較為困難的碳化矽將成主流。英飛凌發展碳化矽技術超過 25 年，已有 20 家車廠在使用及評估英飛凌的碳化矽產品。 中國追兵虎視眈眈，台灣不可輕忽 高金萍指出，未來不只電動車需要第 3 代半導體，從提升太陽能發電效率，縮短電動車充電時間，到提高資料中心的用電效率，縮小行動裝置電源體積，都用得上這項技術。 目前，中國也拚命投資第 3 代半導體，如華為投資碳化矽磊晶公司瀚天天成；長期生產 LED 的三安光電，也因為使用的材料相近，發展受到矚目。但業界人士透露，以三安光電為例，化合物半導體產能約為 1,500 片，跟台灣穩懋、宏捷科數萬片的產能相比，仍有不小差距。 第 3 代半導體是未來各國搶占電動車、新能源，甚至國防、太空優勢，不能忽視的關鍵技術，誰在這個領域領先，誰就能在這個領域勝出，有機會成為下一個台積電。 （本文由 財訊 授權轉載；首圖來源：shutterstock）