2021.12.29 | 王郁倫/盧佳柔
第3類半導體僅占不到1％半導體產值，為何歐、美、日、韓、中國等各國卯足全力競爭？
從1947年美國貝爾實驗室發明全球第一顆電晶體開始，超過70個年頭以來，半導體產業已深深改變科技和文明的發展。台積電業務開發資深副總經理張曉強，在2021年10月一場公開演講裡指出：「半導體是21世紀的空氣。」
舉凡家電、手機等電子產品，乃至汽車和基礎建設應用，都有半導體零組件在其中。2020年初，新冠病毒（COVID-19）疫情襲擊全球至今，居家隔離帶動電子產品需求旺盛，2020年全球晶片出貨量逾1兆億顆。
隨著中美貿易戰方興未艾，科技業更是主戰場，連帶凸顯出台灣半導體產業在地緣政治下的樞紐地位。2020年，台灣半導體產值達新台幣3.22兆元，2021年預計突破4兆元，是僅次美國的全球第2大半導體生產大國。
長期以來，半導體產業主要環繞著以「矽」（Si）和鍺（Ge）為關鍵材料的「第1類半導體」。世界半導體貿易統計組織（WSTS）公布數字也顯示，2021年全球半導體產值上看5,530億美元（約新台幣15兆元）。
工研院產科國際所（IEK）研究總監楊瑞臨預估，2020年氮化鎵與碳化矽產值占所有半導體約0.3％，2025年將成長為0.6％，整體產值有逾9成都是由第1類半導體貢獻。
高功率、高頻率優勢，構成電源、通訊產業新氣象
不同於第1類半導體是單一材料，合計占半導體總產值不到1成的第2類和第3類半導體，都是由2種（或2種以上）材料集結而成，又稱為化合物半導體（Compound Semiconductor）。
其中，第2類半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為主，由於速率快、低雜訊，是3D感測、光達、射頻（手機／基地台）的主流材料，具高頻與高功率特性，幾乎所有手機裡都有它。（詳見下方圖表）
來源：來源：Trendforce / 整理：盧佳柔
讓電動車續航力更佳、更節能，第3類半導體獲空前關注度。
至於第3類半導體材料，則以氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）為主，近年來在氣候暖化效應促使「淨零碳排」議題受到矚目，次世代5G通訊技術趨於成熟，以及電動車、航太、資料中心與能源應用的加速推進，需求正高速起飛。
以氮化鎵和碳化矽為主的第3類半導體材料的優勢是，比起第1類和第2類半導體材料，能夠承受更高功率、高頻率（如毫米波），而且擁有極佳的散熱性能，因此可在特殊應用領域大展身手，例如基地台、電動車、低軌衛星、太陽能源等。
「碳化矽在高功率、高電壓的元件上性能優異，能提供更高效率的電子轉換能力、帶來更好的節能效果，延長電動車電池的續航力， 有機會部分取代原本以矽為基礎的功率元件 。」中央大學副校長綦振瀛指出。
小辭典
【第3類半導體】又稱寬能隙半導體（Wide Band Gap Semiconductors），中國稱第3代半導體，但第3代並不能取代第1代或第2代，各類半導體皆有適用的應用領域。
【功率元件】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、功率放大等，應用於通訊、消費電子、新能源交通等。
楊瑞臨也認為，「特別是特斯拉（Tesla）在2018年推出首款搭載碳化矽逆變器（SiC inverter）的電動車Model 3」，更是掀起了汽車業對於第3類半導體的重視。
全球碳化矽基板龍頭Wolfspeed在投資日（Investor Day）簡報中提及，碳化矽逆變器可以讓汽車更輕、更小，節省5～10％的車輛空間，意味著能在車內放入更多顆電池，增加行駛的續航力。
目前包括通用汽車（GM）和福斯（Volkswagen），都宣布將在2022年新車款引入碳化矽相關技術。
與此同時，在碳中和與淨零碳排的全球趨勢下，各國政策力挺綠能應用，也成為第3類半導體需求攀升的助力。全球第一大氮化鎵功率元件商納微（Navitas）曾表示，氮化鎵的碳足跡比傳統矽基功率元件低10倍。業界估計，若全球資料中心都升級使用氮化鎵功率晶片元件，能源浪費將減少30～40％，相當於節省100兆瓦時（MWh）太陽能和1.25億噸二氧化碳排放量。
來源：Tesla
特斯拉（Tesla）推出了首款應用碳化矽逆變器的電動車後，引起汽車業對第3類半導體的重視。
產業研究機構TrendForce預估，2020～2025年氮化鎵功率元件年均複合成長率（CAGR）高達78％，碳化矽功率元件年均複合成長率也有38％的增幅，後市可期。
此外，儘管第3類半導體由於發展比第1類半導體晚，技術不夠成熟，加上部分材料取得不易，生產成本高於第1與第2類半導體，但近年來，由於產能提升、技術進步，使得碳化矽與矽的成本差距從5、6年前的10倍降低至2、3倍，採用率可望提升。
「第3類半導體的高峰期，會比預期來得更早，現在是需求驅動技術（發展）。」環球晶董事長徐秀蘭興奮地說，原本碳化矽8吋廠估計要到2025年才會登上主流，但現在各式應用快速發展，在客戶的催促和驅動下，可能提前至2023年發生。
過去受限於造價昂貴及耐高壓、高頻等特性，第3類半導體主要用於各國國防、航太等領域，直到近年來，才因為技術進展、成本下降，而應用到工業、汽車與消費性電子產業。
來源：Digitimes Research、SEMI 國際半導體產業協會
支援高頻、高壓、高功率，第3類半導體在這些領域大展身手。
為維持國力，各國都列為「國安級」產業
雖然有日益普及化的趨勢，各國仍將第3類半導體視為「國安級」產業，列入重點保護，具體措施包括：頒布政策鼓勵投資，或是管制出口。
日本經濟產業省（METI）在2021年發布的「半導體戰略要點」中，除了鼓勵第3類半導體材料的創新之外，更領先全球宣布預先投入第4類半導體氧化鎵（Ga2O3）的研究，預計可用於更大的電力充電系統及其電網供應系統。
美國國家安全委員會（National Security Council，為國防授權法案成立的暫時組織，現應正名為美國人工智慧國家安全委員會NSCAI）則於2021年發布厚達752頁的「半導體總檢討報告」，在第13章裡直接點名國家須重視氮化鎵研發的重要性，便是著眼於在通訊與國防應用。
來源：Cree（Wolfspeed）
美國國家安全委員會發布報告指出，氮化鎵、3D堆疊等最新的半導體技術，將是美國未來的發展機會。
2016年，德國半導體大廠英飛凌（Infineon）曾計畫以8.5億美元買下美國科銳（Cree）旗下的功率與射頻元件單位Wolfspeed，卻在歷經一年的審理後，遭美國政府否決，理由即是「保護國防工業」。
回到台灣，政府也預計在2022年擴大投入第3類半導體的技術研發，推出「次世代化合物半導體前瞻研發計畫」，希望透過引進國外大廠來台落地，與在南部設立半導體材料聚落等策略，積極布局8吋長晶爐、8吋碳化矽晶圓等技術，加速第3類半導體產業發展。
為維持國力，美、中、日、韓等國相繼推行第3類半導體政策，盼保有技術自主性，日、韓更明確以「電力半導體」做為呼應碳中和的重要投入項目。楊瑞臨觀察，考量各國都擁有品牌車廠、資通訊與電力電子產業，需上游第3類半導體企業支持，形成內循環的生態鏈，類似布局預期在國際地緣政治的角力下將日益明顯。
併購、合作、搶專利，大廠垂直整合策略保障產能
現階段來看，第3類半導體的主導權仍集中在歐、美、日大廠手中。即使如此，這些業者也都面臨基板的生產量不足，碳化矽晶圓產能不足的考驗，因此，各國關鍵領導廠商無不透過併購、合作、取得專利的方式，設法垂直整合供應鏈上游。
日本羅姆半導體（ROHM）早在2009年，就收購歐洲最大碳化矽單晶晶圓製造商SiCrystal；瑞士意法半導體（ST）於2019年，收購瑞典碳化矽晶圓製造商Norstel；美國安森美（onsemi）則是在2021年，收購美國碳化矽和藍寶石晶圓供應商GTAT（GT Advanced Technologies），目的都是為了掌握足夠的碳化矽晶圓產能，或更加深化磊晶成長技術。
來源：ROHM官方網站
日本羅姆半導體（ROHM）在收購SiCrystal後，將產業技術延伸至碳化矽基板，成為全球少數同時擁有碳化矽基板製造能力與IC設計能力的廠商。
拓墣產業研究院分析師王尊民指出，第3類半導體基板居高不下的成本，一直是發展受限的主因，價格大概是傳統矽基板的5～20倍。
所幸基板大廠如Wolfspeed和羅姆半導體已預計在2025年之前，分別投入10億美元（約新台幣280億元）、850億日圓（約新台幣212億元），大舉擴充產能；貳陸（II-VI）及Qromis等公司，也預計於2022年量產8吋基板，有助於緩解供不應求現況，並逐步下調基板售價。
憑藉著台灣在全球半導體產業既有的主導地位，面對第3類半導體在國際上已有多家巨型垂直整合製造商（IDM，指包辦晶片從設計、製造到銷售的流程）各據一方，在這個領域屬於後進者的台灣業者，能否建立在優勢的基礎上，再創佳績？
台廠「打群架」，集團化搶進全球市場
楊瑞臨指出，「台廠在第3類半導體的戰略，多是以整合產業鏈的形式進攻。」目前，至少有5個集團從上中下游布局第3類半導體。
來源：數位時代
台廠整合產業鏈，進攻國際市場。
晶圓代工龍頭台積電，已在氮化鎵功率元件上與愛爾蘭客戶納微合作，在出貨量上稱王，集團旗下世界先進也並進布局。
中美晶集團由基板、磊晶的上游材料向下延伸，不僅投資環球晶發展基板能力，也斥資1,500萬美元投資美國高功率氮化鎵製造商Transphorm，同時入股宏捷科、朋程，以集團力量擴大供應鏈。
漢民集團從自身的半導體設備優勢出發，透過漢磊投控投資漢磊（代工）及嘉晶（磊晶）技術，進軍市場。
自動化設備廣運集團則是與子公司太陽能廠太極聯手，合資成立孫公司盛新材料，朝最上游長晶技術叩關。
鴻海集團在2021年9月正式成立鴻揚半導體，出手併購旺宏6吋廠，並宣布斥資37億元進駐竹科，成立碳化矽研發中心，並結盟業界夥伴創立MIH模組系統平台，打造完整的電動車供應鏈。
針對涉足新材料的技術門檻，徐秀蘭樂觀看待，「原理都很像，都要結晶、機械加工及化學處理、拋光，只是每一站的流程跟參數都不同！」因此，有矽半導體經驗的工程師，做第3類半導體還是有優勢，「會有一些衝擊，但有流程環節可對應，較容易懂！」
來源：Yole
車用元件、消費性電子，帶動第3類半導體產值快速成長。
無論從技術到應用，第3類半導體產業仍處於「起跑階段」，創造的產值相對於第1類半導體仍難比擬。對於市場的高度期待，或許正如台積電董事長劉德音所言，有一部分想像確實有點「廣告效果」。
然而，當科技的演進帶動時代的基調，朝著高效能、綠能零碳的大方向走，未來我們除了需要持續仰仗矽晶片的運算力之外，更需要氮化鎵及碳化矽，在能源與通訊2大領域，做出突破性的進展。
隨著光電科技工業協進會宣示2021年為台灣化合物半導體元年，鳴起競賽的起步槍，已在半導體產業領跑的台灣，「第3類半導體」絕對是未來不容輕忽的一塊關鍵拼圖。
責任編輯：吳佩臻、張庭銉
文章來源：數位時代
