「第三代半導體」台灣科技業下一場戰爭,5 大集團競逐新商機

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 27 日 9:00 | 分類 晶片 , 材料 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


第 3 代半導體是目前高科技領域最熱門的話題,不只中國想要這個技術,從歐洲、美國到台灣,所有人都在快速結盟,想從這機會分一杯羹。

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)