「第三代半导体」台湾科技业下一场战争,5大集团竞逐新商机

碳化硅SIC半导体材料 · 2021-03-30

「第三代半导体」台湾科技业下一场战争,5 大集团竞逐新商机

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,基本上都是以矽为材料。「矽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。

但矽也有一些弱点,如果用门比喻,用矽做的半导体,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 代半导体都优於传统矽材料。

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)和碳化矽(SiC)这两种材料,「这是 2000 年之後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,以通讯晶片为例,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、性能更好的电晶体,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,许多人想用成熟的矽制程,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 计画。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,高通生产出来的矽晶片非常烫,完全没办法用在手机上;後来,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,未来高频通讯晶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矽的基板,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矽基板,一片 6 寸宽圆片,要价高达 8 万元。

但近几年,市场开始出现将氮化镓堆叠在矽基板上的技术(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,做到只有饼乾大小,OPPO、联想等公司,更积极要把这种技术内建於高阶手机和笔电。

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,取代用矽制作的 IGBT 电源管理晶片。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矽供电晶片(SiC)。碳化矽材料的特殊之处在於,如果要转换接近 1,000 伏特以上的高电压,就只有碳化矽能做到这样的要求;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,用碳化矽都能做得更有效率。

过去电动车都使用矽制成的 IGBT 电源转换晶片,但特斯拉 Model 3 首次采用意法半导体制造的碳化矽元件,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,换上碳化矽晶片後,续航力能提高 4%,由於电动车每一分电源都极为昂贵,各家车厂都积极布局碳化矽技术。英飞凌预期,到 2025 年,碳化矽晶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 年之前将增加碳化矽产能 16 倍。法国雷诺汽车也宣布,和意法半导体结盟,所需的碳化矽晶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矽技术,同年 Cree 也宣布投资 10 亿美元,兴建巨型碳化矽工厂。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,台积电仍是以矽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,台积电在矽基板氮化镓,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晶片。

▲ 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晶片,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。由於 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 寸设备生产,但台积电的技术现在已能改用 8 寸设备生产,效率更高。这项技术发展成熟之後,台积电旧有的 8 寸厂,由於折旧早已完成,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 寸设备,也跟台积电采取相同的策略,大力发展矽基的氮化镓晶片制造技术,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,除了前後段制程都自行完成,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,目前是茂矽董事。茂矽年报中揭露,茂矽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 寸的矽晶圆价格是 20 美元,6寸碳化矽要 1,500 美元,当碳化矽成本降到 750 美元,车用碳化矽的 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晶片设计(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矽晶片的公司,也因此,瀚薪的解散更让人觉得不寻常。

此外,富采(原晶电)由於 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矽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 需要绝缘碳化矽基板,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矽将成主流。英飞凌发展碳化矽技术超过 25 年,已有 20 家车厂在使用及评估英飞凌的碳化矽产品。

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,如华为投资碳化矽磊晶公司瀚天天成;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。

文章来源:https://technews.tw/2021/03/27/third-generation-semiconductor-material-business-in-taiwan/

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