關(guān)注 | 全球廠商爭(zhēng)霸第三代半導(dǎo)體

第3代半導(dǎo)體是目前高科技領(lǐng)域最熱門的話題，不只中國大陸想要這個(gè)技術(shù)，從歐洲、美國到中國臺(tái)灣，所有人都在快速結(jié)盟，想在這個(gè)機(jī)會(huì)里分一杯羹。

過去30年，臺(tái)積電、聯(lián)電擅長制造的邏輯IC，基本上都是以硅做為材料。「硅基本上是一種相當(dāng)全能的材料。」工研院產(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(diǎn)，如果用門做比喻，用硅做的半導(dǎo)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(dǎo)電）。

市場(chǎng)剛起步誰能成為下個(gè)勝利者？
用第2代或第3代化合物半導(dǎo)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(dǎo)體材料打開大門，讓電子通過。因此，要處理高電壓、高頻訊號(hào)，或是在訊號(hào)的轉(zhuǎn)換速度上，第3代半導(dǎo)體都優(yōu)于傳統(tǒng)的硅。
目前，坊間所稱的第2代半導(dǎo)體，指的是砷化鎵、磷化銦這兩種半導(dǎo)體材料，「這是1980年代發(fā)展出來的技術(shù)?！雇貕惍a(chǎn)業(yè)研究院分析師王尊民說，現(xiàn)在所稱的第3代半導(dǎo)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(chǎng)的新技術(shù)」。
第3代半導(dǎo)體的市場(chǎng)還在起步階段，「第2加第3代半導(dǎo)體占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的比率，不到1成，如果只看第3代半導(dǎo)體，也約只有1/100?！雇踝鹈裾f。而根據(jù)工研院產(chǎn)科國際所統(tǒng)計(jì)，化合物功率半導(dǎo)體（即第2和第3代半導(dǎo)體）去年市場(chǎng)規(guī)模約298億美元，但2025年會(huì)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(dǎo)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(jí)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(gè)市場(chǎng)的勝利者。
目前，第3代半導(dǎo)體有3個(gè)主要應(yīng)用市場(chǎng)。第1，是將氮化鎵材料用來制作5G、高頻通訊的材料（簡(jiǎn)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(jì)劃。當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)上的擔(dān)心，高通這項(xiàng)新技術(shù)推出之時(shí)，就是生產(chǎn)通訊用化合物半導(dǎo)體制造商的「死期」，穩(wěn)懋股價(jià)還曾因此重挫。
3個(gè)主要市場(chǎng)愈難做毛利愈高
結(jié)果，高通生產(chǎn)出來的硅芯片非常燙，完全沒辦法用在手機(jī)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(huì)愈來愈往高頻發(fā)展，未來高頻通訊芯片都是化合物半導(dǎo)體的天下，王尊民觀察，這個(gè)領(lǐng)域也是化合物半導(dǎo)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(gè)市場(chǎng)，是用氮化鎵制造電源轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱Power GaN），這是目前最熱門的領(lǐng)域。過去生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，最難的部分是取得碳化硅的基板，采訪時(shí)，陽明交通大學(xué)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)學(xué)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(jià)高達(dá)8萬元臺(tái)幣。
但近幾年，市場(chǎng)上開始出現(xiàn)將氮化鎵堆疊在硅基板上的技術(shù)（GaN on Si）。這種技術(shù)大幅降低化合物半導(dǎo)體的成本，用在生產(chǎn)處理數(shù)百伏特的電壓轉(zhuǎn)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(dāng)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(shù)內(nèi)建在高檔手機(jī)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(bào)告，認(rèn)為未來2~3年，第3代半導(dǎo)體將重塑全球消費(fèi)性電源市場(chǎng)，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報(bào)告預(yù)估，2023年，這個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)值每年將以6成以上速度成長。張翼也認(rèn)為，第3代半導(dǎo)體能源轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到95%以上，一旦被大幅采用，「中國臺(tái)灣能省下一座核能電廠的電」。
重塑消費(fèi)電源版圖年成長上看6成
第3個(gè)市場(chǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換風(fēng)力發(fā)電，或是推動(dòng)大型的電動(dòng)船、電動(dòng)車，用碳化矽都能做得更有效率。
過去電動(dòng)車都使用硅制成的IGBT電源轉(zhuǎn)換芯片，但特斯拉Model 3首次采用意法半導(dǎo)體制造的碳化硅元件，為電動(dòng)車轉(zhuǎn)換電能。根據(jù)英飛凌提供的數(shù)據(jù)，同樣一輛電動(dòng)車，換上碳化矽晶片后，續(xù)航力能提高4%，由于電動(dòng)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(shù)。英飛凌預(yù)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(dǎo)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(dǎo)體結(jié)盟，所需的碳化硅芯片由意法半導(dǎo)體獨(dú)家供應(yīng)。2019年，德國福斯集團(tuán)跟美國Cree合作，由Cree獨(dú)家和福斯合作發(fā)展碳化硅技術(shù)，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(dòng)車要如何省電，則是由第3代半導(dǎo)體技術(shù)決定。
臺(tái)積電在這個(gè)領(lǐng)域，早已發(fā)展多年，其他中國臺(tái)灣公司是向歐洲技轉(zhuǎn)，但臺(tái)積電則是自己花錢，由最基礎(chǔ)堆疊不同材料的磊晶技術(shù)開始研究。外界觀察，臺(tái)積電仍是以硅基板的化合物半導(dǎo)體為主，這種技術(shù)在通訊上應(yīng)用有限，但在電動(dòng)車等應(yīng)用上相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)臺(tái)積電年報(bào)，臺(tái)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(tái)。臺(tái)積電將因此搭上電動(dòng)車第3代半導(dǎo)體的成長大潮。去年2月，意法半導(dǎo)體宣布和臺(tái)積電合作，臺(tái)積電已經(jīng)為意法生產(chǎn)車用的化合物半導(dǎo)體硅片。
未來技術(shù)發(fā)展攸關(guān)電動(dòng)車省電能力
事實(shí)上，在消費(fèi)性電子用的電源轉(zhuǎn)換芯片上，外資指出臺(tái)積電從2014年開始就幫愛爾蘭的IC設(shè)計(jì)公司Navitas代工生產(chǎn)。2021年，Navitas宣布，他們已經(jīng)賣出了1300萬個(gè)第3代半導(dǎo)體變壓器，目前每個(gè)月出貨量達(dá)到100萬個(gè)，良率幾乎是百分之百。由于Navitas在這個(gè)領(lǐng)域擁有5成市占率，也證明臺(tái)積電早已悄悄靠第3代半導(dǎo)體在賺錢。
這種化合物半導(dǎo)體目前主要仍在六吋的設(shè)備上生產(chǎn)，但臺(tái)積電的技術(shù)現(xiàn)在已能改用8吋設(shè)備生產(chǎn)，效率更高。這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展成熟之后，臺(tái)積電舊有的8吋廠，由于折舊早已完成，換上化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用，獲利還會(huì)進(jìn)一步提高。
世界先進(jìn)因?yàn)閾碛写罅?吋的設(shè)備，也跟臺(tái)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(shù)，以提升附加價(jià)值。世界先進(jìn)董事長方略受訪時(shí)表示，正積極建立完整的氮化鎵加工技術(shù)，除了前后段制程都自行完成，也會(huì)建立自己的晶圓薄化技術(shù)。
中美晶則是另一股積極投資第3代半導(dǎo)體的勢(shì)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(dǎo)體制造外，本刊采訪得知，中美晶旗下環(huán)球晶第3代半導(dǎo)體基板技術(shù)也逐漸成形，但仍需克服良率和成本問題。
同時(shí)，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(dǎo)體市場(chǎng)。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(bào)中揭露，茂矽正在積極發(fā)展氮化鎵的快充技術(shù)。盧明光目前出任大同董事長，大同也有自制國產(chǎn)電動(dòng)大巴電力系統(tǒng)的技術(shù)，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(jià)格是20美元，6吋的碳化矽要1500美元，當(dāng)碳化矽成本能降到750美元，車用碳化矽的MOSFET就有機(jī)會(huì)普及，他估計(jì)「大概還要5年以上」。
根據(jù)張翼觀察，目前中國臺(tái)灣在第3代半導(dǎo)體領(lǐng)域，是「制造強(qiáng)，兩端弱」，做代工制造的公司很多，但有能力設(shè)計(jì)第3代半導(dǎo)體IC設(shè)計(jì)的公司卻不多。高頻電路設(shè)計(jì)需要數(shù)學(xué)、物理、電磁波理論基礎(chǔ)，功率IC設(shè)計(jì)需機(jī)電（機(jī)械、電子、電機(jī)）整合背景，設(shè)計(jì)人才非常稀有。另外，中國臺(tái)灣也需要突破基板制造的技術(shù)；例如，制造通訊IC需要絕緣碳化矽基板，如果中國臺(tái)灣有能力自制基板，穩(wěn)懋和宏捷科的發(fā)展會(huì)更為快速。
在發(fā)展第3代半導(dǎo)體上，不管中國臺(tái)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(dǎo)體廠英飛凌，高級(jí)經(jīng)理高金萍接受本刊采訪時(shí)表示，目前全球主流車廠電動(dòng)車規(guī)格已往800伏特高壓平臺(tái)發(fā)展，意即對(duì)臺(tái)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(shù)超過25年，已有20家車廠在使用及評(píng)估英飛凌的碳化矽產(chǎn)品。
高金萍指出，未來不只電動(dòng)車需要第3代半導(dǎo)體，從提升太陽能發(fā)電效率，縮短電動(dòng)車充電時(shí)間，到提高資料中心的用電效率，縮小行動(dòng)裝置電源體積，都用得上這項(xiàng)技術(shù)。
目前，中國大陸也拼命投資第3代半導(dǎo)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?yàn)槭褂玫牟牧舷嘟?，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(dǎo)體產(chǎn)能約為1500片，跟中國臺(tái)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(dǎo)體是未來各地?fù)屨茧妱?dòng)車、新能源，甚至國防、太空優(yōu)勢(shì)，不能忽視的關(guān)鍵技術(shù)，誰在這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先，誰就能在這個(gè)領(lǐng)域勝出，有機(jī)會(huì)成為下一個(gè)臺(tái)積電。