不畏逆風 臺灣半導體擴大發展
第三類半導體8吋GaN氮化鎵晶圓等產品。圖／本報資料照片
產業鏈廠商臺積電12吋晶圓。圖／臺積電提供
電子產品的終端需求由於通膨、經濟成長疲軟等因素出現明顯降溫，使得半導體市場充滿去庫存，訂單修正等雜音。第三類半導體卻受到新能源車需求及各國施政提倡節能減碳等議題，市況逆勢看好。目前第三類半導體主要是以國外IDM大廠獨佔鼇頭，「智璞產業趨勢研究所分析顯示，臺灣逐漸成形的產業鏈上下延伸合作／整合模式將是在第三類半導體擴大發展的機會。」
化合物半導體是由兩種以上元素原子構成的半導體材料，成分主要是週期表的III-V族、II-VI族、IV-IV族元素，常見的二元化合物半導體包括:的砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）與氮化鎵（GaN），IV-IV族的碳化矽（SiC）與矽鍺（SiGe）。另外，一般會依據能隙（Band Gap）大小來歸類第一類、第二類與第三類半導體，其中將砷化鎵與磷化銦歸類爲第二類半導體，將能隙較大的碳化矽與氮化鎵歸於第三類半導體。「智璞產業趨勢表示，雖然消費性電子市場重挫，但在全球各國不遺餘力發展節能減碳趨勢下進而加速第三類半導體發展，加上臺灣政府欲扶植本土第三類半導體產業，使得碳化矽及氮化鎵後市相當看好。其中，受惠於電動車、太陽能、儲能及快充和5G射頻等市況，臺灣相關產業鏈上公司下半年的表現值得注意。」化合物半導體的商業活動主要是以 「晶圓／磊晶」與「元件」等兩大市場爲主，市場規模如下。
1.晶圓／磊晶市場成長迅速
在晶圓／磊晶部分，除了LED外其他會依產品應用領域來選擇基板種類。以氮化鎵爲例，單晶生長難度很高因此元件製作採用異質磊晶片。其中，射頻元件主要採用導熱性、絕緣性與晶格匹配佳的GaN on SiC磊晶片。而電動車所用的碳化矽元件製作亦使用碳化矽晶圓爲基板的磊晶片。根據市場研究機構預估報告指
出，2020年全球化合物半導體晶圓／磊晶市場規模爲10億美元，預估至2026年將成長至20.5億美元，年複合成長率達15％，其中氮化鎵與碳化矽的年複合成長率各爲23.9％、13.9％。
2.元件市場成長驚人，以碳化矽與氮化鎵兩種材料爲主
在元件市場中，以碳化矽元件在電動車的應用市場最大，也最受矚目。根據市場研究機構預估，碳化矽元件的市場至2027年將成長至63億美元，年複合成長率34％，其中佔比最大是電動車，約佔80％。碳化矽元件可耐600V以上電壓，是功率元件理想材料，廣泛應用於車用電子、電力設備等領域。相較矽製品，碳化矽功率元件能減少50％電能轉換損耗、降低20％電源轉換成本，因此適合超高功率、高電能轉換效率的應用，其商業化初期先進入電源供應器市場，目前已滲透至電動車之逆變器（Inverter）且被Tesla廣泛採用，之後將逐步擴展到車載充電器（OBC）、電動車充電樁、電力傳輸與高速鐵路等應用。
目前市售電動車操作電壓則在300～400V，然而隨着消費者對汽車性能要求增加，更高電壓是必然發展趨勢，因此未來碳化矽可能扮演不可或缺之角色。
另外一很紅的第三類半導體材料氮化鎵，目前主要製作光電、功率與射頻等元件，應用於電源控制、無線通訊、光感測、太陽能、光通訊等多種領域。光電元件主要有發光二極體（LED）、雷射二極體（LD）、光偵檢器（PD），現今最重要應用是採用VCSEL的光達（LIDAR），可透過光來測量距離以提供外界環境訊息，是自駕車必備的感測模組。功率元件使用GaN on Si磊晶片，能顯著降低充電器尺寸與功耗，目前正迅速滲透快速充電市場，根據市場研究機構報告指出，2021年全球氮化鎵功率元件市場規模爲1.3億美元，預估2027年成長至20億美元，年複合成長率59％，佔比最大是消費用快充頭市場。
射頻元件可由氮化鎵、矽鍺、砷化鎵、磷化銦製作，目前絕大部分2.5GHz 以上5G高頻元件採用氮化鎵，它也用於低頻但需要高輸出的4G射頻元件。依據市場研究機構指出，2021年全球氮化鎵射頻元件市場規模爲10.5億美元，預估2026年將達24億美元，年複合成長率18％。該市場是由國防和通訊應用主導，2026年市場比重各爲49％和41％，其中95％的通訊應用銷售額來自於基地臺。因爲在高功率密度和導熱性方面仍是首選，故絕大部分氮化鎵射頻元件是以GaN on SiC磊晶片製造，除了于軍用雷達具有高滲透率外，也被華爲、Nokia、Samsung等電信設備商大量用於5G MIMO基地臺。雖然目前氮化鎵射頻元件甚少採用GaN on Si磊晶片，但其具備較大頻寬和小尺寸正吸引廠商投入，2021年Global Foundries和Raytheon建立合作伙伴關係，該機構預估該市場將從2020年低於500萬美元成長到2026年的1.73億美元，年複合成長率高達86％。
國際第三類半導體標竿廠商
第三類半導體產業鏈呈現垂直分工和垂直整合並存的狀況，由於產業型態主要以垂直整合（IDM）廠商爲主，像是STMicroelectronics、Wolfspeed、Rohm、Infineon與On Semi。而在碳化矽晶圓（基板）而言，不論是碳化矽元件或氮化鎵元件都會需要，且是目前主要成本來源（約佔50％）與技術瓶頸等最大問題之一，整體市場處於供不應求狀態。
主要供應商有Wolfspeed、II-VI、SiCrystal、SK Siltron、天科合達、Norstel與Dow DuPont等公司，晶圓生產以4～6吋爲主，2017年起4吋晶圓逐漸被6吋取代，目前以6吋爲主流量產晶圓。雖然大部分一線大廠紛紛宣稱投入8吋晶圓生產，但晶體缺陷仍多會導致後續元件製程良率下降，故各家公司量產尚無明確時程。
臺灣第三類半導體廠商發展現況
第三類半導體技術門檻高，供應鏈與市場已被IDM大廠牢牢掌握，突破不易。臺灣逐漸成形的產業鏈上下延伸合作／整合模式將是臺灣產業擴大發展機會。由於目前晶圓／磊晶是第三類半導體主要供應瓶頸，若能具備該生產能力則具發展優勢。整體來看，已能量產氮化鎵磊晶片、碳化矽之晶圓的環球晶圓不啻爲臺灣最具競爭力的第三類半導體廠商；從製造出發整合產業鏈上下游的鴻海科技集團，藉着策略扶植與龐大的出海口優勢有望成爲臺灣第三類半導體中的一顆亮眼新星也備受期待。臺灣擁有全球最完整的半導體產業鏈，除了大家熟知的矽製程半導體產業外，以第砷化鎵爲主的化合物半導體產業已有30多年發展歷史，多家廠商投入其磊晶、元件代工等業務，技術已具備世界級水準。
在磊晶部分有使用MOCVD技術的全新與聯亞，以及採用MBE技術的英特磊；而代工業務則有爲Skyworks、Qorvo等國際大廠代工生產的穩懋、宏捷科。因此臺灣已具備第三類半導體發展的堅實基礎。
綜觀臺灣第三類半導體碳化矽與氮化鎵的產業中，多數投入廠商正進行技術研發、試作或產品認證。如中美晶集團的環球晶圓已量產SiC晶圓與GaN on Si、GaN on SiC之磊晶片，轉投資的宏捷科投入氮化鎵元件製程開發及產能布建；臺積電爲Navitas、GaN Systems生產GaN on Si的功率元件，世界先進與Qromis合作開發GaN on QST技術，聯電與轉投資的砷化鎵類工廠聯穎合作開發GaN on Si製程，後者將成爲生產基地；富採將類工事業分割成立晶成半導體，專攻化合物半導體制造，已具有GaN on Si元件製造能力。漢民集團投資嘉晶與漢磊，前者已能量產氮化鎵及碳化矽磊晶片，後者藉助與國際IDM廠合作發展出氮化鎵、碳化矽元件製程技術。
長晶／晶錠-環球晶圓
環球晶圓公司前身爲中美矽晶公司的半導體事業處，於2011年10月分割成立，爲國內最大、全球第三大的矽晶圓供應商，產品包含磊晶晶圓、拋光晶圓、擴散晶圓、退火晶圓、SOI晶圓、化合物半導體材料等產品。在化合物半導體部分，環球晶6吋SiC磊晶基板年底月產能可達5,000片，6吋GaN on Si磊晶基板已開出每月2,000片產能，難度最高的4吋GaN on SiC磊晶基板已小量出貨，6吋產能將在明年開出。
中美晶轉投資宏捷科扮演晶圓類工要角，已投入GaN on Si及GaN on SiC技術開發及產能布建。至於朋程則投入SiC MOSFET功率元件設計，今（2022）年下半年可望延伸產品線到電動車應用。未來擬將化合物半導體產品集中在竹科廠生產，產量大幅擴增後有機會佔總營收5％。
長晶／晶錠-盛新材料
2022年產能2,000片4（吋含N型），約60臺長晶爐；2023年3,200片（約當6吋），約70臺長晶爐；預計2023首季將開始量產6吋碳化矽基板。近期獲鴻海入股，配合鴻海發展電動車與半導體的策略規劃，預期雙方會緊密合作。步驟先從送樣階段開始，除了可加速認證時程，也可有效強化出海口後勢看好，期望年底前申請興櫃。
晶圓製造-嘉晶
嘉晶4～8吋磊晶矽晶圓月產能合計40萬片，在供不應求情況下價格將逐季調漲。嘉晶去年底GaN磊晶片月產能約2,000片，SiC磊晶片月產能約600片，而嘉晶將投入4,000～5,000萬美元擴產，2～3年內SiC磊晶片產能要增加7～8倍，GaN磊晶片產能要增加2～2.5倍。
晶圓製造-臺積電
臺積電具有矽基氮化鎵（GaN on Si）技術及量產能量，除了與意法半導體合作生產車用GaN功率元件與IC，包括Navitas及GaN Systems亦在臺積電投片生產100V及650V高壓功率元件。
晶圓製造-世界先進
世界先進在8吋GaN晶圓類工研發順利進行，2021年底試產送樣，今年進入量產階段，業界傳出已爭取到國際IDM大廠訂單。化合物半導體GaN晶圓採用QST基板，預計最快要到2023年纔會產生效益。
晶圓製造-聯電
與持股約8成子公司聯穎光電共同成立技術平臺，該平臺主要應用包括電力電子、射頻、微波等，今（2022）年將提供驅動IC客戶設計導入，初期以GaN切入，到一定成熟度後，再開始着墨SiC，未來也有機會由6吋往8吋走。
晶圓製造-漢磊
漢磊6吋的矽基GaN晶圓類工已接單量產，並與特定客戶合作開發0.5微米的30V～350V電壓GaN MOSFET及100V以下電壓GaN IC的E-HEMT製程並進入量產。嘉晶已推出100V～600V的6吋矽基GaN磊晶矽晶圓，這是擁有自有專利的磊晶技術，而且具有低阻值磊晶增加電流密度特性。預期漢磊6吋SiC產線持續擴大產能中，今年目標產能提升3倍至3,000片，另外，GaN產能則將擴增至每月2,000片。