第 3 代半导体是目前高科技领域最热门的话题，不只中国想要这个技术，从欧洲、美国到台湾，所有人都在快速结盟，想从这机会分一杯羹。
过去 30 年，台积电、联电擅长制造的逻辑 IC，基本上都是以硅为材料。“硅基本上是一种相当全能的材料。”工研院产业科技国际策略发展所研究总监杨瑞临观察。
但硅也有一些弱点，如果用门比喻，用硅做的半导体，就像木头做的木门，轻轻一拉就能打开（从绝缘变成导电）。
市场刚起步，谁能成为下个胜利者？
第 2 代或第 3 代化合物半导体就像铁门，甚至金库大门，需要很大力气，要施加高电压，才能让半导体材料打开大门，让电子通过。因此要处理高电压、高频讯号，或是在讯号转换速度，第 3 代半导体都优于传统硅材料。
目前，坊间所称的第 2 代半导体，指的是砷化镓、磷化铟这两种半导体材料，“这是 1980 年代发展出来的技术。”拓墣产业研究院分析师王尊民说，现在所称的第 3 代半导体，指的是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这两种材料，“这是 2000 年之后才开始投入市场的新技术。”
第 3 代半导体的市场还在起步阶段，“第 2 加第 3 代半导体占全球半导体市场的比率，不到一成，如果只看第 3 代半导体，也约只有百分之一。”王尊民说。而根据工研院产科国际所统计，化合物功率半导体（即第 2 和第 3 代半导体）2020 年市场规模约 298 亿美元，但 2025 年会成长到 361.7 亿美元，2030 年更可逾 430 亿美元，成长潜力大。
尤其，第 3 类半导体并不好做，以通讯芯片为例，要按照不同的通讯需求，选择不同的材料，在原子等级的尺度下精确排好，难度有如给你各种不同形状的石头，堆出一座稳固的高塔，谁能用这些材料，生产出更省电、性能更好的晶体管，就是这个市场的胜利者。
目前，第 3 代半导体有 3 个主要应用市场。第一，是将氮化镓材料用来制作 5G、高频通讯的材料（简称 RF GaN）。过去 20 年，许多人想用成熟的硅制程，做出可以用在 5G 高频通讯上的零组件，最有名的是高通在 2013 年推出的 RF 360 计划。当时，市场上的担心，高通这项新技术推出之时，就是生产通讯用化合物半导体制造商的“死期”，稳懋股价还曾因此重挫。
3 个主要市场，愈难做毛利愈高
结果，高通生产出来的硅芯片非常烫，完全没办法用在手机上；后来，连高通都回头跟稳懋下单。业界人士观察，通讯会愈来愈往高频发展，未来高频通讯芯片都是化合物半导体的天下，王尊民观察，这个领域也是化合物半导体制造毛利率最高的部分，像稳懋和宏捷科的毛利都在三至四成。
第二个市场，是用氮化镓制造电源转换器（简称 Power GaN），这是目前最热门的领域。过去生产相关产品，最难的部分是取得碳化硅的基板，采访时，阳明交通大学国际半导体产业学院院长张翼拿出一片碳化硅基板，一片 6 吋宽圆片，要价高达 8 万元。
但近几年，市场开始出现将氮化镓堆叠在硅基板上的技术（GaN on Si）。这种技术大幅降低化合物半导体的成本，用在生产处理数百伏特的电压转换，可以做到又小又省电。目前市面已可看到，原本便当大小的笔电变压器，做到只有饼干大小，OPPO、联想等公司，更积极要把这种技术内建于高阶手机和笔电。
3 月 1 日，野村证券发表题为“A GaN Changer”的产业报告，认为未来 2~3 年，第 3 代半导体将重塑全球消费性电源市场，取代用硅制作的 IGBT 电源管理芯片。野村证券报告预估，2023 年，这个市场产值每年将以六成以上速度成长。张翼也认为，第 3 代半导体能源转换效率能达到 95% 以上，一旦大幅采用，“台湾能省下一座核能电厂的电”。
重塑消费电源版图，年成长上看六成
第三个市场则是碳化硅供电芯片（SiC）。碳化硅材料的特殊之处在于，如果要转换接近 1,000 伏特以上的高电压，就只有碳化硅能做到这样的要求；换句话说，如果要用在高铁，用在转换风力发电，或是推动大型的电动船、电动车，用碳化硅都能做得更有效率。
过去电动车都使用硅制成的 IGBT 电源转换芯片，但特斯拉 Model 3 首次采用意法半导体制造的碳化硅元件，为电动车转换电能。根据英飞凌提供的数据，同样一辆电动车，换上碳化硅芯片后，续航力能提高 4%，由于电动车每一分电源都极为昂贵，各家车厂都积极布局碳化硅技术。英飞凌预期，到 2025 年，碳化硅芯片将占汽车电子功率元件两成。
2018 年，日本罗姆半导体宣布，在 2024 年之前将增加碳化硅产能 16 倍。法国雷诺汽车也宣布，和意法半导体结盟，所需的碳化硅芯片由意法半导体独家供应。2019 年，德国福斯集团跟美国 Cree 合作，由 Cree 独家和福斯合作发展碳化硅技术，同年 Cree 也宣布投资 10 亿美元，兴建巨型碳化硅工厂。所有人都已经看到，过去汽车是否省油，是由引擎决定，未来电动车要如何省电，则是由第 3 代半导体技术决定。
台积电在这个领域，早已发展多年，其他台湾公司是向欧洲技转，但台积电则是自己花钱，由最基础堆叠不同材料的磊晶技术开始研究。外界观察，台积电仍是以硅基板的化合物半导体为主，这种技术在通讯上应用有限，但在电动车等应用相当有竞争力。根据台积电年报，台积电在硅基板氮化镓，2020 年已开发出 150 伏特和 650 伏特两种平台。台积电将因此搭上电动车第 3 代半导体的成长大潮。2020 年 2 月，意法半导体宣布和台积电合作，台积电已经为意法生产车用的化合物半导体芯片。
▲ 台积电董事长刘德音布局下，2020 年公开和意法半导体合作。
未来技术发展，攸关电动车省电能力
消费性电子用的电源转换芯片，外资指出台积电从 2014 年开始就帮爱尔兰的 IC 设计公司 Navitas 代工生产。2021 年 Navitas 宣布，卖出 1,300 万个第 3 代半导体变压器，目前每个月出货量达到 100 万个，良率几乎百分之百。由于 Navitas 在这个领域拥有五成市占率，也证明台积电早已悄悄靠第 3 代半导体赚钱。
这种化合物半导体目前主要仍在 6 吋设备生产，但台积电的技术现在已能改用 8 吋设备生产，效率更高。这项技术发展成熟之后，台积电旧有的 8 吋厂，由于折旧早已完成，换上化合物半导体新应用，获利还会进一步提高。
世界先进因为拥有大量 8 吋设备，也跟台积电采取相同的策略，大力发展硅基的氮化镓芯片制造技术，以提升附加价值。世界先进董事长方略受访时表示，正积极建立完整的氮化镓加工技术，除了前后段制程都自行完成，也会建立自己的晶圆薄化技术。
中美晶则是另一股积极投资第 3 代半导体的势力，除了 2020 年底成为宏捷科最大股东，切入通讯用化合物半导体制造外，本刊采访得知，中美晶旗下环球晶第 3 代半导体基板技术也逐渐成形，但仍需克服良率和成本问题。
同时，中美晶也在悄悄整合资源，另一路布局切入车用第 3 代半导体市场。中美晶董事卢明光的长子卢建志，目前是茂硅董事。茂硅年报中揭露，茂硅正在积极发展氮化镓的快充技术。卢明光目前出任大同董事长，大同也有自制国产电动大巴电力系统的技术，本刊采访卢明光，他也是朋程董事长，卢明光表示，目前 6 吋的硅晶圆价格是 20 美元，6 吋碳化硅要 1,500 美元，当碳化硅成本降到 750 美元，车用碳化硅的 MOSFET 就有机会普及，他估计“大概还要 5 年以上”。
▲ 3 月 2 日，大同董事长卢明光（右二）、执行副总戴丰树（右一）发表台湾首款电动巴士动力系统。
台积电、中美晶、汉民，主要逐鹿者
汉民集团则是最早布局化合物半导体的公司，在结束瀚薪之前，汉民从车用化合物半导体芯片设计（瀚薪），基板和磊晶技术（嘉晶），到代工制造（汉磊），体系十分完整。汉磊也是台湾少数同时能制造氮化镓和碳化硅芯片的公司，也因此，瀚薪的解散更让人觉得不寻常。
此外，富采（原晶电）由于 LED 制造原本就需要化合物半导体磊晶技术，2018 年也将旗下代工事业分割出来，成立晶成半导体，专攻化合物半导体制造。2019 年，环宇-KY 也投资晶成，目前晶成也有能力提供硅基氮化镓功率半导体制造服务。
根据张翼观察，目前台湾在第 3 代半导体领域，是“制造强，两端弱”，做代工制造的公司很多，但有能力设计第 3 代半导体 IC 设计的公司却不多。高频电路设计需要数学、物理、电磁波理论基础，功率 IC 设计需机电（机械、电子、电机）整合背景，设计人才非常稀有。另外，台湾也需要突破基板制造的技术；例如，制造通讯 IC 需要绝缘碳化硅基板，如果台湾有能力自制基板，稳懋和宏捷科的发展会更为快速。
在发展第 3 代半导体上，不管台湾还是中国，与欧美仍有不小的差距。名列全球前 10 大半导体厂英飞凌，高级经理高金萍接受本刊采访时表示，目前全球主流车厂电动车规格已往 800 伏特高压平台发展，意即对台厂来说较为困难的碳化硅将成主流。英飞凌发展碳化硅技术超过 25 年，已有 20 家车厂在使用及评估英飞凌的碳化硅产品。
中国追兵虎视眈眈，台湾不可轻忽
高金萍指出，未来不只电动车需要第 3 代半导体，从提升太阳能发电效率，缩短电动车充电时间，到提高资料中心的用电效率，缩小行动装置电源体积，都用得上这项技术。
目前，中国也拚命投资第 3 代半导体，如华为投资碳化硅磊晶公司瀚天天成；长期生产 LED 的三安光电，也因为使用的材料相近，发展受到瞩目。但业界人士透露，以三安光电为例，化合物半导体产能约为 1,500 片，跟台湾稳懋、宏捷科数万片的产能相比，仍有不小差距。
第 3 代半导体是未来各国抢占电动车、新能源，甚至国防、太空优势，不能忽视的关键技术，谁在这个领域领先，谁就能在这个领域胜出，有机会成为下一个台积电。
（本文由 财讯 授权转载；首图来源：shutterstock）
2021-03-28 00:03:00标签: 资讯头条 kotoo科技资讯 kotoo科技 kotoo科技资讯头条 科技资讯头条 KOTOO商业产经 新闻网 科技新闻网 科技新闻 Kotoo科技新闻网 Kotoo Kotoo科技新闻网 科技新闻 科技新闻网 新闻网 KOTOO商业产经 科技资讯头条 kotoo科技资讯头条 kotoo科技资讯 资讯头条 Kotoo Kotoo科技新闻网 科技新闻网 新闻网 KOTOO商业产经 科技资讯头条 kotoo科技资讯头条 kotoo科技 kotoo科技资讯 资讯头条
