专家传真－第三代半导体 台积电的机遇与挑战

台积电第三代半导体产量已是业界最大。图／业者提供

近来媒体披露台积电跨入第三代半导体讯息，台积电与IDM厂及IC设计业者合作，完成第一代矽基板氮化镓（GaN on Si）技术平台，并将持续推进至第二代矽基板GaN技术平台，预计今年内完成。

第三代半导体属于半导体领域的特殊制程（specialty），非主流市场，不过未来成长性看好。大家所熟知的矽（Si）是第一代半导体，第二代砷化镓（GaAs）主要用于通讯射频元件，第三代半导体，又称「宽能隙半导体」，则以碳化矽（SiC）与氮化镓（GaN）为主，具有高频、高功率、高电压及耐高温的特性，在5G、电动车、再生能源、工业4.0及航太发展中扮演不可或缺的角色。

「能隙」（Energy gap）指让一个半导体「从绝缘到导电所需的最低能量」，第一、二代半导体属低能隙材料，施加一个小电压即能迅速启闭电源，数值分别为1.12 eV和1.43 eV，第三代半导体的能隙高，SiC和GaN分别达到3.2eV、3.4eV，因此不会轻易从绝缘变成导电，特性更稳定，能源转换效率也更好。

传统的矽若运用于功率元件，因材料的物理特性已达极限，难以提升电量和速度，且一旦操作温度超过100度也容易发生故障，难以符合未来世代高能效与低能耗的需求。新的第三代半导体则能符合需求，依据功率等于电压乘以电流的公式，第三代半导体可以透过更高的操作电压带来更高的功率并降低能损，且其导热快，体积也可大幅缩小，如特斯拉便导入许多车用SiC元件，GaN快充与变压器也将逐渐成为家庭的标准配备。

台积电在第三代半导体领域一直保持鸭子滑水的低调态度，实际上产量已是业界最大。董事长刘德音曾评论「第三代半导体产值偏小，无法与矽基（silicon base）半导体相比」，尽管备受期待，但目前「有一部分是广告效果」。确实，2020年SiC与GaN的产值只占所有半导体千分之三，预期将在2025年成长至42亿美元，占千分之六，成长幅度虽高，但整体产值仍低，还低于台积电单月营收。

可预见化合物半导体将成为未来的重要趋势，过往追求制程升级将面临瓶颈，必须透过化合物的材料特性共同寻求产品效能的进一步提升。化合物领域像是一个无穷尽的宝库，搭配不同的元素可能产生意想不到的结果，值得我们细细寻求。刘德音董事长预测未来50年可能会以VR/AR作为世界互动的主要方式，但前提是VR/AR装置的技术必须提升100倍以上，「这只能透过半导体的进步来实现」，他说。

另外为了回应地缘政治压力并加强与当地客户联系，台积电也决定到美、日设厂，但承诺将维持长期毛利率在53％水准。在第三代半导体领域，因GaN有缺陷必须放置于Si基板上，台积电即是采用此技术代工，长期更被看好的碳化矽基氮化镓（GaN on SiC）性能更加优异，惟目前面临碳化矽基板严重缺货。

「过去的50年里，半导体技术发展就像是在隧道里行走，前进的道路很明确，就是缩小电晶体」，刘德音近期投书美国商业杂志Fortune表示，「而现在我们正接近隧道的出口，隧道之外有更多的可能性，从材料到架构的创新都会使新的路径成为可能，并定义新的目的地，我们不再受隧道限制，拥有无限的创新空间。」展望未来，半导体的舞台越大，但面临的挑战也将更艰巨。