Date: 2021-07-27
寬能隙的化合物半導體革命 台灣科技業大老殷切建言

Digitimes／2021-07-27／何致中

圖說：寬能隙半導體產業革命正啟動中，科技業界大老紛紛提出發展建言。左起為朋程暨中美晶榮譽董事長盧明光、環球晶董事長徐秀蘭、穩懋董事長陳進財（符世旻／製）

矽（Si）基半導體稱霸 60 年，晶圓代工龍頭台積電成為台灣的「護國神山」，而往上游看有 IC 設計的聯發科，儼然成為後華為海思時代的晶片霸主，往下游走有 IC 封測的日月光投控，雄踞專業封測代工（OSAT）與系統級封裝（SiP）領域。

隨著科技趨勢進展，從第一代的矽、鍺（Ge）等元素半導體，到第二代無線通訊領域廣泛應用的三五族化合物半導體砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），這裡已經開始與矽半導體有了各擅其長的分工。

更進一步的到了寬能隙（Wide Band Gap；WBG）時代，氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）開始抬頭，特別是在功率（power）元件應用領域，因新能源車、消費電子快充等非常有感的應用，推動 GaN、SiC 已經成為具有國家戰略高度的兵家必爭之地。

另一方面，低軌衛星、5G 等無線通訊技術的發展，也使得 GaN-on-SiC 的 RF 應用受到注目，近期知名科技人士維珍集團（Virgin Group）董事長 Richard Branson，Space X 創辦人 Elon Musk，還是 Blue Origin 的 Jeff Bazos 都在戮力實現電影《玩具總動員》裡巴斯光年口中「飛向宇宙，浩瀚無垠！」 （To Infinity and beyond!）的經典台詞，衛星通訊則成為下一個十年必定會發生的科技典範轉移，且成本甚至可能相較地面基礎建設更為便宜。

科技的下一個十年，將聚焦在 5G、AI、EV、太空通訊等領域，除了矽基半導體持續在運算、儲存晶片衝刺外，這些趨勢也將直接牽動 Power 與 RF 元件的革命，進入商品化的 GaN、SiC 正要邁開腳步，但也揭開了新一輪具有「國家戰略高度」的產業競合。
台灣科技大廠包括在車用二極體深耕的朋程、矽晶圓龍頭的環球晶，現行砷化鎵晶圓代工龍頭的穩懋半導體，以及大力投資宏捷科、環球晶的中美晶集團，這些知名台灣公司的領航人站在甚麼樣的視角與經營想法進軍寬能隙半導體， DIGITIMES 整理近期三位重量級科技產業人物現身說法，同樣從「元素半導體到寬能隙化合物半導體」的歷程與觀點，探詢台灣在第三代材料的布局。

「科技報國」時代猶存　化合物半導體也得組國家隊

矽基礎的整流二極體當中，台灣有不少功率基礎元件的好手，然而走過 PC、智慧手機時代，IT 應用擁有深厚的基礎，但車用一級（Tier1）供應鏈多年來把持在博世（Bosch）、電裝（Denso）、德國大陸集團（Continental）等大廠手中，台灣二極體業者中，也唯有朋程科技真正打入了「動力系統」等級的二極體供應。

朋程暨中美晶榮譽董事長盧明光，雖然認為純電動車世代還需要一點時間醞釀，但在半導體材料的布局部分，也已經看到台灣要建構的是「整個工業」，從設備、原料、磊晶片、晶圓代工廠、再到終端裝置應用，一連串建立起來。

盧明光為環球晶、朋程創辦人，中美晶榮譽董事長、大同董事長，有購併大王之稱。談到化合物半導體產業，盧明光強調，環球晶購併德國世創（Siltronic）後，營業額一舉突破新台幣 1,000 億元關卡，在矽（Si）領域站穩全球第二地位。

盧明光曾在光電協進會上提及，現今是從「工業報國」轉為「科技報國」的時代。更認為在台灣落後 20~30 年的第三代半導體領域，需力拚建立化合物半導體產業聯盟，在矽領域的強大基礎上，未來台灣將是電動車、無線通訊的重要零組件供應鏈。

至於 SiC 等第三代材料，台灣可能還落後其他業者 20~30 年，中國已釋出將投資人民幣 4 兆元、日本要投資 10 兆日圓，台灣目前包括國科會、科技部、經濟部的投注部位還小，希望能夠幫忙產業「共同成功」，把台灣的紮實基礎做得更好。

盧明光也明確指出，再往後走高頻率如 RF 領域，可以由穩懋、或是中美晶投資的宏捷科等晶圓代工廠著墨，搶攻 5G、衛星通訊等無線通訊商機。高功率領域，可藉由朋程接觸到廣大車用 tier1、車廠等供應鏈做為出海口。

市場關注的 SiC MOSFET 部分，業界推測 SiC MOSFET 等可能 2022~2023 年慢慢上量，SiC MOSFET 適用於 48V、80V 系統油電混合車，未來純電動車（BEV）也可期待高壓 600V、750V、1,200V 的矽基絕緣閘雙極電晶體（IGBT）、SiC 功率元件等導入，中美晶集團可以攜手環球晶、宏捷科、朋程，也可配合如漢磊等晶圓代工廠，把整個工業建立起來。

「Beyond Silicon」的國家戰略思維

而矽晶圓大廠環球晶如何開啟化合物半導體之路的呢？環球晶約從 8 年前開始進入化合物半導體領域，先以 SiC 用 4 吋 N 型（導電型）產品發展，可以跟如三五族晶圓代工廠等有前後長晶、製程的搭配，現在環球晶不管是 6 吋的 N 型或是 Si 型（半絕緣型）產品都可以製作，目前已經全面把產能轉向半絕緣型 SiC 產品，以 6 吋產品來說，半絕緣型價格估計是導電型 2 倍。

從產能來看，環球晶長晶爐也持續加碼中，與美國 GTAT 合作，把以往製作太陽能矽晶圓的爐子進行改裝進行 SiC 晶圓長晶，已成功進入 6 吋產品階段，目前 N 型產品發展較為完善。

而環球晶董事長徐秀蘭更在台灣化合物半導體及設備產學聯盟線上課程中向學員闡明，「Beyond Silicon」的化合物半導體，是重要且困難、且是國家戰略等級的關鍵產業。未來太多重要的技術必須藉由化合物半導體來執行，包括低軌衛星、5G 通訊、綠能、智慧電網、電動車、高電壓元件等。

徐秀蘭指出，化合物半導體產品跟矽半導體不太一樣，因為有太多國家對此作出口管制，包括台灣在內，如果是半絕緣型 SiC，也都得需拿到特別許可。也因為各國管制的關係，國家一定要有自己的技術能量。

化合物半導體產業鏈從上到下都不容易，從一開始的長晶到元件製造、量測，到最終產品出來過程都相對困難，也包括設備端，因此垂直與水平並行，包括設計、IP、原材料，力求建立整個生態體系是產學聯盟的關鍵推廣方向。

徐秀蘭說明，化合物半導體產業還有一個很特殊的挑戰，那就是來自於國際的競爭。以 SiC 來講，絕大部分基板供應來自於美國的 Cree、II-VI 等廠商，再從新興業者的加入來看，中國有超過 1,000 家的化合物半導體公司，對於台灣來說，化合物半導體更是不可錯過的市場。

點燃寬能隙半導體革新之火需靠基礎人才

第一代矽基半導體，廣泛應用在運算、儲存、感測領域。第二代三五族半導體砷化鎵、磷化銦為代表，已經被大量應用於無線通訊、資料傳輸，第三代材料則以具備高速、抗高溫 / 高電壓的化合物 GaN、SiC 為主，適用在高速傳輸、太空站、人造衛星、雷達，甚至國防軍工領域，屬於國家戰略物資。

砷化鎵在近期科技業界主流的 5G、Wi-Fi 6 等無線通訊技術中扮演要角，但未來要擁抱「高頻、高功率、寬能隙」等第三代半導體材料領域，在砷化鎵領域作為領頭羊的穩懋半導體董事長陳進財強調，「基礎人才的培育是關鍵。」

陳進財曾指出，半導體產業應用涵蓋人類所有生活，不論是哪種產業都往智慧化、自動化前進，不過台灣化合物半導體人才相對缺乏，多數人才集中在系統設計上，台灣半導體發展跟國際鏈接軌是必然趨勢，政府也提出「台灣 2030 科技願景」，希望在產官學研的合作下一同推進。

5G 已經改變人類的生活型態，砷化鎵的高頻高功率特性可以滿足全球 5G 通訊需求，目前穩懋也已經致力於 GaN-on-SiC 的 RF 無線通訊元件應用。

「第四代半導體」要靠第三代材料彎道超車

矽基半導體生產製造、封測代工等，台灣確實在「護國群山」深厚基礎上，成為全球地緣政治中不可或缺的要角，第三代半導體的 GaN、SiC 已經是許多在矽基半導體或是砷化鎵領域落後的後進者，企圖「彎道超車」的領域。

GaN 在功率元件最大的優勢，就是可以以矽基氮化鎵（GaN-on-Si）製程製作，這可以借重成熟的矽基半導體生產設備，如 6 吋甚至 8 吋。在第三代寬能隙半導體終於有機會迎來商業化契機時，被稱為是「第四代」超寬能隙（UWBG）材料的氧化鎵（GaO）、氮化鋁（AlN）、甚至是鑽石（C），已經開始被業界注意到。

特別是日本、中國業者，儘管還方研發、嘗試階段，這無疑將是半導體材料進展的嶄新篇章，值得後續持續追蹤。而現階段第三代半導體 GaN、SiC 的發展，則是必須在台灣強勁的矽基礎之下，透過產官學研各界一同齊心戮力，搶先培養、爭取人才，也是各大產業領袖們，之所以殷切提點、力求產業大聯盟的主要原因之一。