〈工業技術與資訊〉臺灣化合物半導體的贏者策略

電動車、5G、再生能源等新興應用快速普及,功率及電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展,不僅大廠爭相投入,各國也將其視為國家戰略重點。(圖:工業技術與資訊月刊)
電動車、5G、再生能源等新興應用快速普及,功率及電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展,不僅大廠爭相投入,各國也將其視為國家戰略重點。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/張玉圓

電動車、5G、再生能源等新興應用快速普及,功率及電力元件的需求帶動化合物半導體的蓬勃發展,不僅大廠爭相投入,各國也將其視為國家戰略重點。工研院近期邀集產官學界共同討論臺灣化合物半導體產業「贏的策略」,希望延續我國在矽基半導體的既有優勢,打造高值化生態系,在全球高度競爭下勝出。

半導體材料的發展,已從第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)/磷化銦(InP)、演進到第三代,以氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)為主的化合物半導體。研究機構 Allied Market Research 指出,光是以 GaN 為材料的電力元件,市場規模就從幾年前僅千萬美元之譜,成長到 2020 年的上億美元;2027 年更將來到 10 億美元。以整體化合物半導體市場來看,估計 2024 年產值將達 530 億美元,年複合成長率為 7.3%,高於矽基半導體的 2.5%。

工研院於 6 月初舉辦「從全球化合物半導體未來展望,探討臺灣發展關鍵議題」線上研討會,邀集經濟部技術處,與多家半導體相關業者齊聚一堂,針對新一代化合物半導體的發展,進行討論及意見交流。

工研院產業科技國際策略發展所研究總監楊瑞臨指出,打造化合物半導體的產業競爭力,必須先從產業面及國際面來檢視,以此找出臺灣的定位。目前 SiC 國際大廠透過自主研發、併購、上下游結盟等方式,打造整合元件製造(Integrated Device Manufacturer;IDM)的一條龍模式;而美、歐、日、韓、中等主要國家,也將化合物半導體視為國家戰略的重點項目。

國際大廠積極投入化合物半導體

楊瑞臨分析,未來 3 到 5 年,最被看好的化合物半導體為 SiC 高功率元件以及氮化鎵高頻元件(GaN-on-SiC),全球 SiC 基板(substrate)三大龍頭業者分別為 Cree、Rohm(SiCrystal)以及 II-VI,策略及強項各有不同。

美國雷射光學元件設計製造商貳陸公司(II-VI)是全球率先發表 8 吋 SiC 基板的廠商,過去 3 年透過併購、結盟,實現了供應鏈整合,並成功擴展市場。II-VI 前(2019)年收購光通訊以及 iPhone 臉部辨識技術供應商菲尼薩(Finisar),營收出現爆炸性成長,也串接垂直供應鏈,與日本住友電氣合作開發 5G 應用的 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓、為歐盟的「展望 2020」計畫(Horizon 2020)供應實驗用 SiC 基板、並取得美國奇異(GE)集團授權,進入 SiC 功率元件的製造。

楊瑞臨指出,「II-VI 最值得臺灣借鏡之處,是它以碲化鎘(CdTe)以及硒化鋅(ZnSe)化合物半導體起家,成功跨足新一代化合物半導體」;臺灣產業同樣擁有不少化合物半導體的能量,參考 II-VI 的發展軌跡,有助於打造最佳策略。

另一大廠 Rohm 於 2009 年即收購碳化矽元件廠商 SiCrystal,在高功率元件及模組技術相對領先,目前已推出第四代 SiC MOSFET。SiCrystal 母公司羅姆集團(Rohm)原本就擁有廣大的出海口,包括日系車廠及重工業製造商,近年更在國際上加速結盟,尋找更多終端應用商機,例如與電動車動力系統廠 Vitesco Technologies 合作,提供 800V 逆變器的 SiC 功率元件。

Cree 已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌(Infineon)及意法半導體(ST)等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定。(英飛凌提供)
Cree 已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌(Infineon)及意法半導體(ST)等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定。(英飛凌提供)
產學合作打造材料及設備優勢

美國大廠科銳(Cree)全球 SiC 晶圓排名第一,市占高達 6 成,被認為可最快達成 8 吋晶圓量產。楊瑞臨分析,「Cree 積極推動產學合作,很值得國內參考,它在美國紐約州及北卡羅萊納州有許多學校支持;化合物半導體材料及設備的發展,最需要產學合作的長期投入。」

Cree 的策略不止是供應晶圓,也朝下游功率元件發展。該公司已經與美國 ON Semiconductor、歐洲英飛凌(Infineon)及意法半導體(ST)等大廠簽訂 SiC 晶圓供應協定;在功率元件方面也直接與一線大廠供應商 Delphi Technologies、ABB 等合作。

美日韓中列為重點發展項目

觀察各國科技發展政策,也可發現化合物半導體的地位益形重要。中國在十四五計畫中提高 SiC 位階,列入第三代「半導體產業」。目前中國 SiC 全球市占率尚低,但 SiC 設備已有自製自研能量,由於內需龐大,未來潛力不容小覷。中國也透過政策補貼促進產業發展,該國兩家重要 SiC 廠商三安光電、天科合達,過去兩年接受的補貼金額即超過 1,500 萬人民幣,天科合達 2019 年稅前盈餘更有 7 成來自補貼。

日本政府在第六代行動通訊(6G)重要藍圖中,將化合物半導體納入重點項目,以滿足未來超低功耗的需求。楊瑞臨指出,「5G 資料中心與網路,耗能都相當可觀,更何況是 6G,因此日本政府積極從上游材料尋求解決方案,除了 SiC 之外,GaN、三氧化二鎵(Ga2O3)都是材料技術選項。」

南韓新一代半導體政策有三大發展重點:一是確保電力半導體的競爭力,在初期階段即加以培育;二是開發以 SiC、GaN、Ga2O3 三大寬能隙材料為基礎的新一代化合物半導體,打造從元件、模組到系統的綜合價值鏈;三是建立認證及人才培育能量,以支持供應鏈發展。

美國則在國家安全委員會報告中,直接點名 GaN 的重要性。此外,從美國半導體產業協會(SIA)新任理事名單,也可看出化合物半導體備受重視,包括 Qorvo、Cree、Analog Device 等大廠都名列其中。

儘管面對國際大廠來勢洶洶,加上各國政策支持,臺灣在化合物半導體的發展,仍有許多優勢利基。首先是政策目標明確,行政院將於 2022 年設置化合物半導體科專計畫,預計 2025 年達成兩大目標:一是 8 吋 SiC 長晶及磊晶設備自主、8 吋 SiC 晶圓製程關鍵設備與材料源自主;二是完備在地供應鏈,除經濟部工業局、技術處與科技部均有相應計畫,工研院也將以「南方雨林計畫」,催生化合物半導體的在地能量。

氮化鎵(GaN)射頻元件市場預估。
氮化鎵(GaN)射頻元件市場預估。
工研院全方位布局化合物半導體

優勢之二:國內化合物半導體的發展,有工研院的研發能量為奧援。工研院電子與光電系統研究所研發組長林建中指出,「工研院在電力電子、射頻、光電元件各領域,均投入化合物半導體的應用開發,例如在經濟部科專支持下,有化合物半導體元件的設計製造與封裝;院內跨領域合作的光達系統可應用於自駕車;工研院也成立了次兆赫波(sub-THz)實驗室進行相關研發。」

工研院雷射與積層製造科技中心執行長曹芳海表示,「化合物半導體應用仍在萌芽階段,若初期就能同步發展設備與製程,可提高競爭力。」他分析,以往臺灣的矽基半導體產業,優先發展後端,前端多仰賴國際大廠;如今培植化合物半導體產業發展,可從源頭補鏈,例如 SiC 長晶為最大技術門檻,另外 SiC 晶圓生產價格仍居高不下,透過自建設備將可帶動效益倍增。工研院現與德國雷射源廠商合作,在臺南六甲院區成立雷射打樣製程試製中心,除了可與業界合作開發高效益的 SiC 晶圓生產技術與設備外,也可成為國際合作及人才培育的重要平台。

工研院量測技術發展中心副執行長陳炤彰指出,臺灣發展化合物半導體的贏者策略,是充份連結上下游。面對研發瓶頸時,不應只聚焦製程的改善,還要從量測及認證的角度來思考。「仰賴以往的破壞式檢測,將導致製程變數大且時程拖延;若能將量測整合於製程中,從前段的長晶、磊晶到後段的元件、系統,每一步驟都即時改善製程,相信臺灣可以稱霸全球。」他也強調認證的重要性,唯有建立安全認證、功能認證及符合國際法規的作法,才能搶下國際市場的入場券。

智慧製造 提升長晶微調效率

在智慧製造導入化合物半導體製程方面,工研院機械與機電系統研究所組長王裕銘表示,目前全球化合物半導體尚無標準製程,臺灣若能導入智慧製造,將是一大利基。舉例來說,長晶製程從 4 吋演進到 6 吋,不止牽涉設備擴充或參數調整,「而是多重耦合的物理模型,我們協助業者進行模擬,找出定性的長晶發展趨勢,再透過 AI 模型分析,在後續修正製程時,就能準確預測溫度、噴流量等細微的參數變化,讓長晶的微調製程更有效率。」

交流會中,國內化合物半導體業者包括漢磊、穩懋、嘉晶也提出各自的建議與看法。業者認為,現行化合物半導體商業模式以 IDM 一條龍為主,臺灣過去擅長「小型設計廠結合晶圓代工」模式,原本不容易成功,但在美中貿易戰、地緣政治、5G 與新能源基礎建設帶動龐大需求等因素加持下,國內產業找到很好的切入點,若能由政府協助建立完整供應鏈,並強化出海口的發展,將可大幅提升臺灣在化合物半導體領域的未來競爭力。

碳化矽(SiC)電力市場預估。
碳化矽(SiC)電力市場預估。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 353 期 2021 年 7 月號,未經授權不得轉載。


《工業技術與資訊》月刊 | 《工業技術與資訊》月刊

《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

延伸閱讀

投資商城

免費體驗