不畏逆风 台湾半导体扩大发展
第三类半导体8吋GaN氮化镓晶圆等产品。图／本报资料照片
产业链厂商台积电12吋晶圆。图／台积电提供
电子产品的终端需求由于通膨、经济成长疲软等因素出现明显降温，使得半导体市场充满去库存，订单修正等杂音。第三类半导体却受到新能源车需求及各国施政提倡节能减碳等议题，市况逆势看好。目前第三类半导体主要是以国外IDM大厂独占鼇头，「智璞产业趋势研究所分析显示，台湾逐渐成形的产业链上下延伸合作／整合模式将是在第三类半导体扩大发展的机会。」
化合物半导体是由两种以上元素原子构成的半导体材料，成分主要是周期表的III-V族、II-VI族、IV-IV族元素，常见的二元化合物半导体包括:的砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）与氮化镓（GaN），IV-IV族的碳化矽（SiC）与矽锗（SiGe）。另外，一般会依据能隙（Band Gap）大小来归类第一类、第二类与第三类半导体，其中将砷化镓与磷化铟归类为第二类半导体，将能隙较大的碳化矽与氮化镓归于第三类半导体。「智璞产业趋势表示，虽然消费性电子市场重挫，但在全球各国不遗余力发展节能减碳趋势下进而加速第三类半导体发展，加上台湾政府欲扶植本土第三类半导体产业，使得碳化矽及氮化镓后市相当看好。其中，受惠于电动车、太阳能、储能及快充和5G射频等市况，台湾相关产业链上公司下半年的表现值得注意。」化合物半导体的商业活动主要是以 「晶圆／磊晶」与「元件」等两大市场为主，市场规模如下。
1.晶圆／磊晶市场成长迅速
在晶圆／磊晶部分，除了LED外其他会依产品应用领域来选择基板种类。以氮化镓为例，单晶生长难度很高因此元件制作采用异质磊晶片。其中，射频元件主要采用导热性、绝缘性与晶格匹配佳的GaN on SiC磊晶片。而电动车所用的碳化矽元件制作亦使用碳化矽晶圆为基板的磊晶片。根据市场研究机构预估报告指
出，2020年全球化合物半导体晶圆／磊晶市场规模为10亿美元，预估至2026年将成长至20.5亿美元，年复合成长率达15％，其中氮化镓与碳化矽的年复合成长率各为23.9％、13.9％。
2.元件市场成长惊人，以碳化矽与氮化镓两种材料为主
在元件市场中，以碳化矽元件在电动车的应用市场最大，也最受瞩目。根据市场研究机构预估，碳化矽元件的市场至2027年将成长至63亿美元，年复合成长率34％，其中占比最大是电动车，约占80％。碳化矽元件可耐600V以上电压，是功率元件理想材料，广泛应用于车用电子、电力设备等领域。相较矽制品，碳化矽功率元件能减少50％电能转换损耗、降低20％电源转换成本，因此适合超高功率、高电能转换效率的应用，其商业化初期先进入电源供应器市场，目前已渗透至电动车之逆变器（Inverter）且被Tesla广泛采用，之后将逐步扩展到车载充电器（OBC）、电动车充电桩、电力传输与高速铁路等应用。
目前市售电动车操作电压则在300～400V，然而随着消费者对汽车性能要求增加，更高电压是必然发展趋势，因此未来碳化矽可能扮演不可或缺之角色。
另外一很红的第三类半导体材料氮化镓，目前主要制作光电、功率与射频等元件，应用于电源控制、无线通讯、光感测、太阳能、光通讯等多种领域。光电元件主要有发光二极体（LED）、雷射二极体（LD）、光侦检器（PD），现今最重要应用是采用VCSEL的光达（LIDAR），可透过光来测量距离以提供外界环境讯息，是自驾车必备的感测模组。功率元件使用GaN on Si磊晶片，能显著降低充电器尺寸与功耗，目前正迅速渗透快速充电市场，根据市场研究机构报告指出，2021年全球氮化镓功率元件市场规模为1.3亿美元，预估2027年成长至20亿美元，年复合成长率59％，占比最大是消费用快充头市场。
射频元件可由氮化镓、矽锗、砷化镓、磷化铟制作，目前绝大部分2.5GHz 以上5G高频元件采用氮化镓，它也用于低频但需要高输出的4G射频元件。依据市场研究机构指出，2021年全球氮化镓射频元件市场规模为10.5亿美元，预估2026年将达24亿美元，年复合成长率18％。该市场是由国防和通讯应用主导，2026年市场比重各为49％和41％，其中95％的通讯应用销售额来自于基地台。因为在高功率密度和导热性方面仍是首选，故绝大部分氮化镓射频元件是以GaN on SiC磊晶片制造，除了于军用雷达具有高渗透率外，也被华为、Nokia、Samsung等电信设备商大量用于5G MIMO基地台。虽然目前氮化镓射频元件甚少采用GaN on Si磊晶片，但其具备较大频宽和小尺寸正吸引厂商投入，2021年Global Foundries和Raytheon建立合作伙伴关系，该机构预估该市场将从2020年低于500万美元成长到2026年的1.73亿美元，年复合成长率高达86％。
国际第三类半导体标竿厂商
第三类半导体产业链呈现垂直分工和垂直整合并存的状况，由于产业型态主要以垂直整合（IDM）厂商为主，像是STMicroelectronics、Wolfspeed、Rohm、Infineon与On Semi。而在碳化矽晶圆（基板）而言，不论是碳化矽元件或氮化镓元件都会需要，且是目前主要成本来源（约占50％）与技术瓶颈等最大问题之一，整体市场处于供不应求状态。
主要供应商有Wolfspeed、II-VI、SiCrystal、SK Siltron、天科合达、Norstel与Dow DuPont等公司，晶圆生产以4～6吋为主，2017年起4吋晶圆逐渐被6吋取代，目前以6吋为主流量产晶圆。虽然大部分一线大厂纷纷宣称投入8吋晶圆生产，但晶体缺陷仍多会导致后续元件制程良率下降，故各家公司量产尚无明确时程。
台湾第三类半导体厂商发展现况
第三类半导体技术门槛高，供应链与市场已被IDM大厂牢牢掌握，突破不易。台湾逐渐成形的产业链上下延伸合作／整合模式将是台湾产业扩大发展机会。由于目前晶圆／磊晶是第三类半导体主要供应瓶颈，若能具备该生产能力则具发展优势。整体来看，已能量产氮化镓磊晶片、碳化矽之晶圆的环球晶圆不啻为台湾最具竞争力的第三类半导体厂商；从制造出发整合产业链上下游的鸿海科技集团，借着策略扶植与庞大的出海口优势有望成为台湾第三类半导体中的一颗亮眼新星也备受期待。台湾拥有全球最完整的半导体产业链，除了大家熟知的矽制程半导体产业外，以第砷化镓为主的化合物半导体产业已有30多年发展历史，多家厂商投入其磊晶、元件代工等业务，技术已具备世界级水准。
在磊晶部分有使用MOCVD技术的全新与联亚，以及采用MBE技术的英特磊；而代工业务则有为Skyworks、Qorvo等国际大厂代工生产的稳懋、宏捷科。因此台湾已具备第三类半导体发展的坚实基础。
综观台湾第三类半导体碳化矽与氮化镓的产业中，多数投入厂商正进行技术研发、试作或产品认证。如中美晶集团的环球晶圆已量产SiC晶圆与GaN on Si、GaN on SiC之磊晶片，转投资的宏捷科投入氮化镓元件制程开发及产能布建；台积电为Navitas、GaN Systems生产GaN on Si的功率元件，世界先进与Qromis合作开发GaN on QST技术，联电与转投资的砷化镓类工厂联颖合作开发GaN on Si制程，后者将成为生产基地；富采将类工事业分割成立晶成半导体，专攻化合物半导体制造，已具有GaN on Si元件制造能力。汉民集团投资嘉晶与汉磊，前者已能量产氮化镓及碳化矽磊晶片，后者借助与国际IDM厂合作发展出氮化镓、碳化矽元件制程技术。
长晶／晶锭-环球晶圆
环球晶圆公司前身为中美矽晶公司的半导体事业处，于2011年10月分割成立，为国内最大、全球第三大的矽晶圆供应商，产品包含磊晶晶圆、抛光晶圆、扩散晶圆、退火晶圆、SOI晶圆、化合物半导体材料等产品。在化合物半导体部分，环球晶6吋SiC磊晶基板年底月产能可达5,000片，6吋GaN on Si磊晶基板已开出每月2,000片产能，难度最高的4吋GaN on SiC磊晶基板已小量出货，6吋产能将在明年开出。
中美晶转投资宏捷科扮演晶圆类工要角，已投入GaN on Si及GaN on SiC技术开发及产能布建。至于朋程则投入SiC MOSFET功率元件设计，今（2022）年下半年可望延伸产品线到电动车应用。未来拟将化合物半导体产品集中在竹科厂生产，产量大幅扩增后有机会占总营收5％。
长晶／晶锭-盛新材料
2022年产能2,000片4（吋含N型），约60台长晶炉；2023年3,200片（约当6吋），约70台长晶炉；预计2023首季将开始量产6吋碳化矽基板。近期获鸿海入股，配合鸿海发展电动车与半导体的策略规划，预期双方会紧密合作。步骤先从送样阶段开始，除了可加速认证时程，也可有效强化出海口后势看好，期望年底前申请兴柜。
晶圆制造-嘉晶
嘉晶4～8吋磊晶矽晶圆月产能合计40万片，在供不应求情况下价格将逐季调涨。嘉晶去年底GaN磊晶片月产能约2,000片，SiC磊晶片月产能约600片，而嘉晶将投入4,000～5,000万美元扩产，2～3年内SiC磊晶片产能要增加7～8倍，GaN磊晶片产能要增加2～2.5倍。
晶圆制造-台积电
台积电具有矽基氮化镓（GaN on Si）技术及量产能量，除了与意法半导体合作生产车用GaN功率元件与IC，包括Navitas及GaN Systems亦在台积电投片生产100V及650V高压功率元件。
晶圆制造-世界先进
世界先进在8吋GaN晶圆类工研发顺利进行，2021年底试产送样，今年进入量产阶段，业界传出已争取到国际IDM大厂订单。化合物半导体GaN晶圆采用QST基板，预计最快要到2023年才会产生效益。
晶圆制造-联电
与持股约8成子公司联颖光电共同成立技术平台，该平台主要应用包括电力电子、射频、微波等，今（2022）年将提供驱动IC客户设计导入，初期以GaN切入，到一定成熟度后，再开始着墨SiC，未来也有机会由6吋往8吋走。
晶圆制造-汉磊
汉磊6吋的矽基GaN晶圆类工已接单量产，并与特定客户合作开发0.5微米的30V～350V电压GaN MOSFET及100V以下电压GaN IC的E-HEMT制程并进入量产。嘉晶已推出100V～600V的6吋矽基GaN磊晶矽晶圆，这是拥有自有专利的磊晶技术，而且具有低阻值磊晶增加电流密度特性。预期汉磊6吋SiC产线持续扩大产能中，今年目标产能提升3倍至3,000片，另外，GaN产能则将扩增至每月2,000片。