第3代半導體是目前高科技領域最熱門的話題，不只中國大陸想要這個技術，從歐洲、美國到中國臺灣，所有人都在快速結盟，想在這個機會里分一杯羹。

過去30年，臺積電、聯(lián)電擅長制造的邏輯IC，基本上都是以硅做為材料?！腹杌旧鲜且环N相當全能的材料?！构ぱ性寒a(chǎn)業(yè)科技國際策略發(fā)展所研究總監(jiān)楊瑞臨觀察。

但硅也有一些弱點，如果用門做比喻，用硅做的半導體，就像是用木頭做的木門，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？

用第2代或第3代化合物半導體就像是鐵門，甚至金庫的大門，需要很大的力氣，要施加大的電壓，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，或是在訊號的轉換速度上，第3代半導體都優(yōu)于傳統(tǒng)的硅。 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(fā)展出來的技術。」拓墣產(chǎn)業(yè)研究院分析師王尊民說，現(xiàn)在所稱的第3代半導體，指的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）這兩種材料，「這是2000年之后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1成，如果只看第3代半導體，也約只有1/100。」王尊民說。而根據(jù)工研院產(chǎn)科國際所統(tǒng)計，化合物功率半導體（即第2和第3代半導體）去年市場規(guī)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類半導體并不好做，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(wěn)固的高塔，誰能用這些材料，生產(chǎn)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1，是將氮化鎵材料用來制作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制程，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計劃。當時，市場上的擔心，高通這項新技術推出之時，就是生產(chǎn)通訊用化合物半導體制造商的「死期」，穩(wěn)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(chǎn)出來的硅芯片非常燙，完全沒辦法用在手機上；后來，連高通都回頭跟穩(wěn)懋下單。業(yè)界人士觀察，通訊會愈來愈往高頻發(fā)展，未來高頻通訊芯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制造毛利率最高的部分，像穩(wěn)懋和宏捷科的毛利都在3~4成。 第2個市場，是用氮化鎵制造電源轉換器（簡稱Power GaN），這是目前最熱門的領域。過去生產(chǎn)相關產(chǎn)品，最難的部分是取得碳化硅的基板，采訪時，陽明交通大學國際半導體產(chǎn)業(yè)學院院長張翼拿出一片碳化硅基板給我們看，這一片6吋寬的圓片，要價高達8萬元臺幣。 但近幾年，市場上開始出現(xiàn)將氮化鎵堆疊在硅基板上的技術（GaN on Si）。這種技術大幅降低化合物半導體的成本，用在生產(chǎn)處理數(shù)百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。目前市面上已經(jīng)可以看到，原本便當大小的筆電變壓器，已經(jīng)能做到只有餅干大小，OPPO、聯(lián)想等公司，更積極要把這種技術內建在高檔手機和筆電里。 3月1日，野村證券發(fā)表題為「A GaN Changer」的產(chǎn)業(yè)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，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報告預估，2023年，這個市場產(chǎn)值每年將以6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，一旦被大幅采用，「中國臺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6成

第3個市場則是碳化硅供電芯片（SiC）。碳化硅材料的特殊之處在于，如果要轉換接近1000伏特以上的高電壓，就只有碳化硅能做到這樣的要求；換句話說，如果要用在高鐵上，用在轉換風力發(fā)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。 過去電動車都使用硅制成的IGBT電源轉換芯片，但特斯拉Model 3首次采用意法半導體制造的碳化硅元件，為電動車轉換電能。根據(jù)英飛凌提供的數(shù)據(jù)，同樣一輛電動車，換上碳化矽晶片后，續(xù)航力能提高4%，由于電動車每1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，碳化硅芯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年之前將增加碳化硅產(chǎn)能16倍。法國雷諾汽車也宣布，和意法半導體結盟，所需的碳化硅芯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(fā)展碳化硅技術，同年Cree也宣布投資10億美元，興建巨型碳化硅工廠。所有人都已經(jīng)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。 臺積電在這個領域，早已發(fā)展多年，其他中國臺灣公司是向歐洲技轉，但臺積電則是自己花錢，由最基礎堆疊不同材料的磊晶技術開始研究。外界觀察，臺積電仍是以硅基板的化合物半導體為主，這種技術在通訊上應用有限，但在電動車等應用上相當有競爭力。根據(jù)臺積電年報，臺積電在硅基板氮化鎵上，2020年已開發(fā)出150伏特和650伏特兩種平臺。臺積電將因此搭上電動車第3代半導體的成長大潮。去年2月，意法半導體宣布和臺積電合作，臺積電已經(jīng)為意法生產(chǎn)車用的化合物半導體硅片。

未來技術發(fā)展攸關電動車省電能力

事實上，在消費性電子用的電源轉換芯片上，外資指出臺積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設計公司Navitas代工生產(chǎn)。2021年，Navitas宣布，他們已經(jīng)賣出了1300萬個第3代半導體變壓器，目前每個月出貨量達到100萬個，良率幾乎是百分之百。由于Navitas在這個領域擁有5成市占率，也證明臺積電早已悄悄靠第3代半導體在賺錢。 這種化合物半導體目前主要仍在六吋的設備上生產(chǎn)，但臺積電的技術現(xiàn)在已能改用8吋設備生產(chǎn)，效率更高。這項技術發(fā)展成熟之后，臺積電舊有的8吋廠，由于折舊早已完成，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吋的設備，也跟臺積電采取相同的策略，大力發(fā)展矽基的氮化鎵芯片制造技術，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，除了前后段制程都自行完成，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，除了去年底成為宏捷科最大股東，切入通訊用化合物半導體制造外，本刊采訪得知，中美晶旗下環(huán)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(fā)展氮化鎵的快充技術。盧明光目前出任大同董事長，大同也有自制國產(chǎn)電動大巴電力系統(tǒng)的技術，本刊采訪盧明光，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吋的碳化矽要1500美元，當碳化矽成本能降到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」。 根據(jù)張翼觀察，目前中國臺灣在第3代半導體領域，是「制造強，兩端弱」，做代工制造的公司很多，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(shù)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，中國臺灣也需要突破基板制造的技術；例如，制造通訊IC需要絕緣碳化矽基板，如果中國臺灣有能力自制基板，穩(wěn)懋和宏捷科的發(fā)展會更為快速。 在發(fā)展第3代半導體上，不管中國臺灣還是中國大陸，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(jīng)理高金萍接受本刊采訪時表示，目前全球主流車廠電動車規(guī)格已往800伏特高壓平臺發(fā)展，意即對臺廠來說較為困難的碳化矽將成主流。英飛凌發(fā)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(chǎn)品。 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(fā)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，中國大陸也拼命投資第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(chǎn)LED的三安光電，也因為使用的材料相近，發(fā)展受到矚目。但業(yè)界人士透露，以三安光電為例，化合物半導體產(chǎn)能約為1500片，跟中國臺灣穩(wěn)懋、宏捷科數(shù)萬片的產(chǎn)能相比，仍有不小差距。 第3代半導體是未來各地搶占電動車、新能源，甚至國防、太空優(yōu)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，有機會成為下一個臺積電。

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